Tuabin nhiệt trong hệ thống lò hơi

2, Thiết bị tuabin khí là động cơ nhiệt, thực hiện quá trình biến hóa năng của nhiên liệu trong buồng đốt ở nhiệt độ cao thành cơ năng nhờ những bộ phận máy quay có cánh.1, Tuabin hơi là

TURBINE NHIỆT

Hình 1.1 Mô hình tuabin hơi hiện đại – Hãng Siemens

Chương 1: GIỚI THIỆT CHUNG VỀ

1.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ LỊCH

SỬ PHÁT TRIỂN CỦA TUABIN

2, Thiết bị tuabin khí là động cơ nhiệt, thực hiện quá trình biến hóa năng của nhiên liệu trong buồng đốt ở nhiệt độ cao thành cơ năng nhờ những bộ phận máy quay có cánh.

1, Tuabin hơi là động cơ hơi nước, trong đó thế

năng của dòng hơi ban đầu chuyển hóa thành

động năng, sau đó thành cơ công làm quay trục

1.1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

3, Thiết bị tuabin bao gồm tổ hợp tất cả trang bị chính và phụ trợ của tuabin

(bản thân tuabin, hệ thống gia nhiệt và các

đường ống dẫn trong phạm vi tuabin)

4, Tổ tuabin – máy phát

Nếu tuabin hơi (khí) dùng để kéo máy phát điện thì tất cả các thiết bị bao gồm Tuabin, máy phát, thiết bị ngưng hơi, bộ giảm tốc (nếu có) được gọi là tổ Tuabin – Máy phát (tổ máy).

5, Các thông số ban đầu của tuabin là áp suất po , nhiệt độ t o của dòng khí (hơi) trước van stop (trước khi vào tuabin)

Các thông số cuối của dòng khí (hơi) là áp suất p k

và nhiệt độ t k của nó ở ngay sau mặt bích của ống thoát tuabin

6, Các thông số định mức của tuabin: (số vòng

quay, áp suất và nhiệt độ hơi mới, nước, dầu,

chân không…)

Các thông số tính toán mà nhà chế tạo đã ghi trong lý lịch của tuabin Với các thông số đó sẽ

1.1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN TUABIN

* Khi nói về tuabin nhiệt điện, chúng ta thường

gặp hai loại sau:

+ Tuabin hơi+ tuabin khí Rất quan trọng trong nhà máy nhiệt điện

* Ngoài ra còn có:

- Tuabin nước sản xuất Thủy điện

A TUABIN HƠI

- Tuabin hơi ra đời cách đây hơn 100 năm

- Trong thế kỉ 19 máy hơi nước pittông là máy nhiệt chủ yếu

- Năm 1883 lần đầu tiên tuabin hơi đầu tiên

được đưa vào thử nghiệm và có những ưu điểm nổi trội so với máy hơi nước:

* Công suất lớn hơn nhiều do sử dụng được một

lượng hơi lớn không có cơ cấu trục khuỷu

* Hiệu suất cao nhờ quá trình hơi được cho giãn nở

và sinh công từ áp suất cao xuống áp suất thấp

* Có thể thu hồi nước ngưng do đó tăng chất lượng nước cấp với thông số vào cao

* Máy Chạy êm và thuận tiện trong vận hành

- Năm 1883, Laval đã chế tạo ra tuabin

xung lực một tầng với những ống phun to dần + Hơi chỉ bành trướng trong

 Tổn thất bởi tốc độ ra rất lớn Hiệu quả kinh tế

của loại tuabin này không cao Công suất dưới

Hình 1.8 Sơ đồ mặt cắt tuabin xung lực một

2 3 4

6 5

A A

Cắ t và trải theo

-Năm 1984, Charles Parsons (kỹ sư người Anh) đã

chế tạo ra tuabin phản lực đầu tiên.

+ Gồm nhiều tầng, mỗi tầng gồm một dãy ống phun và một dãy cánh động liền nhau và gắn trực tiếp lên trục hình tang trống

+ Hơi được giãn nở liên tục trong các tầng (động năng ra khỏi tầng trước được sử dụng một

phần ở tầng sau)

 Giảm tổn thất tốc độ ra, nâng cao được hiệu suất

Hình 1.8 Tuabin phản lực nhiều

R_ Lực dọc trục

Về bình ngưng

1 9

- Năm 1986 Charles Curtis (Mỹ) đưa vào vận

hành tuabin có tầng tốc độ Ở đó, các cánh quạt

được gắn lên cùng một đỉnh có nhiều dãy kề nhau

 Giảm được số vòng quay và đơn giản trong

truyền động

- Năm 1900 Rateau (Pháp) đã cho ra đời tuabin

xung lực nhiều tầng đầu tiên với công suất 735 kW.

Năm 1903, Aurel Stodola (nhà bác học Thụy Sỹ),

- Năm 1912 tuabin hướng trục đầu tiên do anh em

người Thụy Điển Iunstre:

+ Không có ống phun hoặc cánh hướng mà chỉ

có hai dãy cánh động được gắn chặt trên hai đĩa 1, 2

+ Loại tuabin này thuộc loại tuabin phản lực thuần túy Với nguyên lý cho roto quay ngược chiều nhau như vậy làm cho tuabin rất gọn và có hiệu quả kinh tế cao

Hình 1.9.Sơ đồ tuabin hướng trục

1 2

5

4

6 7

3 8

1, 2 Đĩa tuabin

3 Ống dẫn hơi mới

4, 5 Trục tuabin

6,7 Cánh quạt tầng trung gian

8, Thân tuabin

- Cuối thế kỷ XIX, ngành chế tạo tuabin phát triển

và sự thâm nhập điện năng vào các ngành công

+ Năm 1958 đã sản xuất được tuabin 200

MW Thông số hơi ban đầu12,8 Mpa (130

+ Năm 1965, tuabin 500MW với thông số

+ Năm 1978 với tuabin 1200 MW có tần số

- Người ta còn sản xuất ra tuabin cấp nhiệt thu hồi,

công suất 250 MW, thông số hơi 23,5 Mpa (240

- Những năm 70 – 80 với sự ra đời tuabin cho nhà máy điện nguyên tử, công suất 70 MW, 225 MW,

Với mục đích nâng cao hiệu quả và độ tin cậy,

đã có mấy xu hướng chính về sự phát triển ngành chế tạo tuabin như sau:

+ Nâng cao thông số hơi ban đầu

+ Tăng công suất đơn vị tuabin, tổ tuabin máy phát

+ Phát triển tuabin ngưng hơi, tuabin phối hợp sản xuất điện năng và nhiệt năng

(tuabin đối áp, tuabin cấp nhiệt thu hồi, tuabin có

B TUABIN KHÍ

Nếu dự thảo thiết kế tuabin khí có từ trước thế

kỷ XX thì cách thiết kế thích hợp với thực tế phải

đến đầu thế kỷ XX mới thực hiện được

- Năm 1902 Môss chế tạo tuabin khí dùng quay quạt

nạp không khí cho động cơ đốt trong kiểu pittông

- Năm 1905 Armangen và Laval vận hành tuabin

việc theo chu trình đẳng áp Hiệu suất thấp (3%).

- Năm 1909 Hôlzwarth vận hành thiết bị tuabin khí,

công suất 150 kw, chu trình đốt đẳng tích Có hiệu

- Đến năm 1930 Whittle thiết kế tuabin khí dùng cho

động cơ máy bay, hiệu suất nhiệt cao hơn động cơ

- Năm 1937 tuabin có động cơ là tuabin khí đầu

tiên ra đời

* Để nâng cao hiệu suất và công suất tuabin:

+ Sử dụng sơ đồ nhiệt phức tạp+ Làm mát cũng như quá nhiệt trung gian+ Hoặc làm nhiều trục

 Nhờ vậy mà công suất và hiệu suất của tuabin tăng lên không ngừng

* Đặc biệt trước và trong chiến tranh thế giới thứ

hai, các nước tham chiến luôn tìm cách tăng sức

mạnh chiến đấu nhờ các tuabin khí có sức kéo lớn

* Sau chiến tranh, tuabin khí phát triển nhanh hơn,

sử dụng phần lớn trong các máy bay chiến đấu và để

phát điện Những thành tựu đạt được như sau:

- Năm 1974 tuabin khí một trục đầu tiên, công suất đến 100 MW ở nhà máy điện Leopodau (Áo).

+ Chu trình hỗn hợp Khí - Hơi được áp dụng ở

nhà máy điện Hohr Wand (Áo)

(Công trình tuabin khí 10 MW phối hợp với chu

trình hơi, hiệu suất đạt đến 41,6%)

- Năm 1980 tuabin khí một trục CS 125 MW

(V.94) của KWU (Đức) được đưa vào sử dụng

- Năm 1982 nhà máy điện chu trình hỗn hợp công

suất mỗi khối 375 MW, hiệu suất 42,3% được đưa vào vận hành ở Bank PaKong (Thái Lan)

- Năm 1990 tuabin khí một trục, (p > 200 MW,

cung cấp cho các nhà máy điện, đặc biệt ở các

1.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

CỦA TUABIN

1.2.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA

1 Lò hơi: nước cấp được cấp nhiệt đến sôi và chuyển hóa thành hơi bão hòa

2 Bộ quá nhiệt: quá nhiệt hơi tới giá trị đã cho

3 Tuabin hơi: thế năng của hơi  động năng, và động năng  cơ năng trên trục.

4 Máy phát điện: để phát điện.

5 Bình ngưng: ngưng tụ hơi thoát khỏi tuabin

6 Bơm nước ngưng 6: bơm nước ngưng vào hệ

thống gia nhiệt hồi nhiệt 7 và 10

7 Bình khử khí 8: khử khí ôxy trong nước cấp

8 Bơm nước cấp 9: bơm nước cấp vào lò hơi

- Hơi từ lò vào tuabin gọi là hơi mới.

- Có nhiều phương pháp biến thế năng của hơi thành cơ năng làm quay trục tuabin Tùy thuộc đặc tính chuyển hóa này mà chia ra tuabin xung

1.2.1.2 Nguyín lý lăm việc của tuabin xung lực

2

3

4

6 5

A A

3 4

Cắt và trải theo

Trong tuabin xung lực, quá trình giãn nở, hơi giảm áp suất biến nhiệt năng thành động năng chỉ

xảy ra trong các ống phun, còn trong các rãnh cánh động, áp suất không thay đổi, xảy ra quá trình biến đổi động năng của hơi thành cơ công trên trục

- Tua bin có số vòng quay rất lớn, 3000 v/p, muốn kéo máy công tác cần có bộ giảm tốc nên công suất rất nhỏ, hiệu quả kinh tế không cao, ít sử dụng

+ Trong ống phun 4, gắn trên thân máy và nằm

trước các cánh động, hơi giãn nở giảm áp suất từ

=> entanpi của hơi bị giảm

=> ống phun sẽ phát nhiệt và chuyển hóa nhiệt

năng thành động năng của dòng hơi, đồng thời tốc

Trong rãnh cánh động, áp suất không đổi,

dòng hơi khi tác dụng vào các cánh động 3 sẽ làm quay cánh động  tạo nên cơ công trên trục của

+ Rôto đặt bên trong thân tuabin 5 Cổ trục nằm trên các paliê đỡ.

1.2.1.3 Nguyín lý lăm việc của tuabin phản lực

công suất nhỏ

R_ Lực dọc trục

Về bình ngưng

1 9

7 Buồng hơi mới

8 Pistong giảm tải

9 Ống dẫn hơi

10 Ống thoât

Trong tuabin phản lực, quá trình giãn nở, quá

trình giảm áp suất của dòng hơi (biến nhiệt năng

thành động năng) xảy ra cả trong các rãnh cánh

hướng (bất động) và các cánh động

hơi mới 7 đi vào rãnh của dãy cánh hướng thứ nhất (lắp trên thân máy) và tiếp tục đi vào rãnh cánh động đầu tiên (lắp trên tang trục 1) Sau đó hơi tiếp tục đi vào rãnh cánh hướng thứ hai, rồi đến rãnh cánh động thứ hai, v.v cho đến tầng cuối cùng

Các cánh động được lắp trên tang trục 1

⇒ Hai dãy cánh này được lắp ghép tạo thành

các rãnh cho hơi đi qua.

- Quá trình phát nhiệt sinh công diễn ra cả trong rãnh cánh hướng và cánh động.

- Một dãy cánh hướng và một dãy cánh động kề nhau tạo thành một tầng Tất cả các tầng tạo nên phần chuyền hơi của tuabin

1.2.2 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA TUABIN KHÍ

Dựa vào quá trình cháy của nhiên liệu, có thể chia thành hai loại:

+ Tuabin khí cháy đẳng áp

+ Tuabin khí cháy đẳng tích

Xét nguyên lý làm việc của tuabin khí với chu trình hở và quá

trình cháy đẳng áp, có sơ đồ nguyên lý như sau:

Sơ đồ nguyên lý làm việc của tuabin khí

3

- Máy nén 2 hút không khí từ bên ngoài và nén

đến áp suất yêu cầu rồi đưa nó vào buồng đốt 4

- Nhiên liệu được phun vào buồng đốt qua vòi

phun nhờ bơm nhiên liệu 1

 Nhiên liệu được hỗn hợp với không khí và bốc cháy, trong điều kiện áp suất không đổi.(p = const)

- Sản phẩm cháy và không khí được giãn nở đoạn nhiệt trong ống tăng tốc và hướng vào cánh tuabin

* Ở đây:

- Chỉ có 20 - 40% không khí, được đưa vào từ máy nén khí, tham gia quá trình cháy trong giải cháy

nhiên liệu chủ động  Không khí sơ cấp.

- Phần không khí còn lại 60 - 80% dùng hòa trộn với

sản phẩm cháy  Không khí thứ cấp 60 - 80%

* Công suất sinh ra của tuabin 8 một phần dùng để truyền động máy nén 2, phần còn lại cấp cho hộ tiêu dùng (như thành điện năng ở máy phát điện 6)

* Nhiệt độ trong giải cháy chủ động của buồng

* Sự đốt cháy nhiên liệu được thực hiện chỉ khi

khởi động thiết bị nhờ bộ đánh lửa bằng điện đặt

* Khi khởi động tuabin khí cần có động cơ điện

khởi động 3

- Trong buồng đốt có thêm van nhiên liệu, van không khí và van ống phun (đưa sản phẩm cháy vào tuabin)

- Nhiên liệu được đốt cháy trong điều kiện thể tích không thay đổi (cấp nhiệt đẳng tích)

- Sau khi nhiên liệu cháy hết, van ống phun mở, sản phẩm cháy đi qua ống phun giãn nở đoạn nhiệt trong ống phun và cánh tuabin rồi sinh công trên trục tuabin.

* Đối với tuabin khí cháy đẳng tích có sự khác biệt

so với tuabin khí cháy đẳng áp:

* Tuabin ngưng hơi

* Tuabin đối áp

* Tuabin ngưng hơi có cửa trích hơi điều chỉnh

1.3 PHÂN LOẠI TUABIN NHIỆT

1.3.1 PHÂN LOẠI TUABIN HƠI

1.3 1 1 Theo tính chất nhiệt của quá trình

a, Tuabin ngưng hơi

Về lò hơi

Bơm

Tuabin Hơi vào

Bình ngưng

Nước tuần hoàn Máy phát

* Đặc điểm:

- Toàn bộ lưu lượng hơi mới (trừ lượng hơi trích gia nhiệt) đều đi qua tuabin giãn nở sinh công

- Hơi ra khỏi tuabin được dẫn vào bình ngưng

- Nhiệt của hơi thoát được truyền cho nước làm mát và mất đi một cách vô ích

b Tuabin đối áp

Hơi thoát có áp suất lớn hơn áp suất khí quyển được dẫn về hộ tiêu thụ nhiệt để dùng cho sinh hoạt hoặc công nghiệp

Những nhă mây nhiệt điện mở rộng tuabin

đối âp có TS ban đầu cao (trín 88 bar, 535oC)

được “đặt chồng” trước tuabin hơi trung âp

Về lò hơi

Máy phát Tuabin

Hơi mới

Nước tuần hoàn Bình ngưng

c Tuabin ngưng hơi có cửa trích điều chỉnh

Bình gia nhiệt

Xu pap hơi

Về lò hơi

Nước tuần hoàn

Máy phát Hơi mới

Bình ngưng Hộ dùng nhiệt

Bơm

Trích hơi hồi nhiệt

Xu pap điều chỉnh Rút hơi

hồi nhiệt

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 dùng cho mục đích

công nghiệp và sưởi ấm

Tuabin ngưng hơi có cửa trích hơi điều chỉnh rất phù hợp với việc phối hợp sản xuất điện năng và

-Hơi trích được điều chỉnh, lưu lượng hơi lớn hơn so

với các loại chỉ có trích hơi gia nhiệt.

- Không phụ thuộc vào phụ tải của tuabin.

- Áp suất trong cửa trích hơi được giữ ổn định.

- Số tầng của tuabin hơi điều chỉnh được chia làm hai

phần: phần cao áp và phần hạ áp Cửa trích hơi cho

nhu cầu công nghiệp nằm giữa hai phần này.

Đặc điểm:

1.3.1.2.Theo áp suất của hơi dẫn vào tuabin

(với áp suất hơi mới từ 60 đến 140 bar)

d Tuabin trên cao áp

(với áp suất trên 140 bar)

1.3.1.3 Theo công dụng của tuabin hơi

a Truyền động cho máy phát điện

Tuabin được nối với máy phát điện, làm việc với n = const

b Truyền động cho các quạt nén, máy nén và bơm

Cần điều chỉnh duy trì p =const của không khí, nước hoặc giữ cho G kk = const.

c Dùng cho vận tải (Tuabin tàu thủy)

- Dùng làm động cơ cho các tàu thủy dân dụng và hải quân

- Thường được nối với trục chân vịt qua hộp giảm tốc và làm việc với n = const

1.3.2 PHÂN LOẠI TUABIN KHÍ

* Tuabin dùng cho máy bay: theo cách truyền công suất

+ Loại dùng năng lượng dòng khí

+ Loại tuabin quay cánh quạt.

1.3.2.1 Theo lĩnh vực sử dụng

* Thiết bị tuabin công nghiệp:

+ Tuabin có số vòng quay không đổi:

Tuabin chạy ngọn, tải gốc; trong trạm cấp nhiệt

+ Tuabin có số vòng quay thay đổi: tuabin

dùng cho máy nén, bơm, quạt,

1.3.2.2 Theo loại nhiên liệu được sử dụng

- Tuabin khí dùng nhiên liệu khí

- Tuabin dùng nhiên liệu lỏng nhẹ

- Tuabin dùng nhiên liệu lỏng nặng

- Tuabin dùng nhiên liệu rắn

1.4 CHU TRÌNH LÀM VIỆC CỦA

TUABIN NHIỆT

1.4.1 CHU TRÌNH LÀM VIỆC TUABIN HƠI

1.4.1.1 Chu trình Renkin và hiệu suất nhiệt của chu trình

Chu trình Rankin trên đồ T-s.

* Các quá trình biến đổi của môi chất trong chu trình

a'a_ Quá trình nén nước đoạn

nhiệt trong bơm.

ab_ Quá trình nhận nhiệt đẳng áp

trong bộ hâm nước của lò hơi.

bc_ Quá trình nhận nhiệt hóa hơi

đẳng áp của nước trong dàn ống sinh hơi

cd_ Quá trình hơi nhận nhiệt

đẳng áp trong bộ quá nhiệt de_ Quá trình hơi giãn nở đoạn

nhiệt sinh công trong tuabin ea'_ Quá trình hơi ngưng tụ đẳng

b

'

To

*Giải thích chu trình

- Bơm nước cấp 1 nâng áp suất của nước tới áp suất P a

và dẫn vào lò hơi 2 (a’a), công tiêu hao cho 1 Kg nước cấp là L B

- Trong lò hơi, nước được đun lên dưới áp suất không đổi đến nhiệt độ sôi (đường ab) và bốc hơi (đường cb) Sau đó hơi đi vào bộ quá nhiệt 3, nhiệt độ tăng lên

- Hơi ra khỏi tuabin đi vào bình ngưng 5 Ở đây, hơi nhả nhiệt cho nước làm mát tuần hoàn

trình ea’) và được bơm trở lại lò hơi Hoàn thành

một chu trình khép kín

- Nhiệt lượng môi chất nhận được trong lò hơi:

Quá trình cấp nhiệt trong bộ quá nhiệt diễn ra với P o = const nên lượng nhiệt cung cấp vào q 1 truyền cho nước và hơi hoàn toàn được tiêu phí cho việc nâng entanpi của hơi Đối với 1kg hơi là:

q 1 = i o - i a (1.1)

* Tính toán nhiệt chu trình

Trong đó:

Nhiệt lượng nhả từ 1kg hơi khi pk = const được xác định bởi hiệu số của entanpi:

- Công có ích lý thuyết của 1 kg hơi:

Trong đó:

l T = i o - i k là công của 1 kg hơi trong tuabin lý tưởng, và được gọi là công lý thuyết.

l B = i a - i’ k là công tiêu hao để bơm 1kg nước vào lò hơi.

*Hiệu suất nhiệt của chu trình

- Hiệu suất nhiệt của chu trình là tỷ số giữa công lý thuyết và lượng nhiệt cấp vào chu trình.

- Nếu bỏ qua công để kéo bơm (l B << l T ), thì hiệu

suất của chu trình lý tưởng sẽ là:

) (

) (

) (

)

(

' '

'

k a

k o

k a

kt o

i i

i i

i i

k a

kt

o

i i

i i

i

i q