turbine hơi

TURBIBNE HƠI
TURBIBNE HƠI
I/ GIỚI THIỆU :
I.1. Giới thiệu:
- Nhà máy điện là một nơi có nhiều thiết bị đồ sộ và phức tạp chúng
phối hợp hoạt động để tạo ra điện năng. Trong đó, có thể nói tua bin -
máy phát là một cụm thiết bị quan trọng nhất trong các thiết bị, một phần
do kích thước của nó, không giống như những thiết bị khác có thể lớn
hơn, nó thường được lắp trong nhà tua bin ngay trên chân đế của nó.
Trong nhiều nhà máy, kích thước của tua bin này dài hơn 30m. Có thể
cho rằng tua bin là thiết bị quan trọng nhất đối với nhà máy điện.
- Cụm tua bin- máy phát là thiết bị quan trọng nhất trong nhà máy
điện. Trong phần này, nội dung chỉ nói về tua bin, nên không đề cập đến
những thiết bị còn lại. Nó quan trọng, tuy nhiên phải hiểu rằng nó không
thể tự làm việc độc lập được. Nó chỉ là một bộ phận hoặc là một hệ
thống phụ của toàn bộ hệ thống phát điện. Khi vận hành tuabin có nghĩa
là phải hiểu rằng đang vận hành toàn bộ nhà máy điện.
- Việc vận hành tua bin thường được xem như là một nghệ thuật.
Nhiều người chỉ có ý nghĩ mơ hồ rằng làm thế nào mà tua bin chuyển đổi
năng lượng từ hơi để quay máy phát điện. Thật khó mà vận hành tua bin
tốt trong mọi điều kiện nếu như không có sự hiểu biết về nguyên lý làm
việc bên trong của nó.
- Mục đích của phần này là giới thiệu về nhà máy điện để đánh giá
đúng về tua bin. Đồng thời cũng giới thiệu nguyên lý cơ bản để turbine
sản xuất điện.
I.2 Lý thuyết nhà máy điện.
- Nhà máy nhiệt điện là một nhà máy chuyển đổi năng lượng.
Toàn bộ quá trình chuyển đổi năng lượng là một sự chuyển đổi
của năng lượng từ nhiên liệu sang điện năng. Sự chuyển đổi này
cần một số giai đoạn trung gian. Những giai đoạn trung gian này
xảy ra được gọi là chu trình nhà máy điện. Nó được gọi là chu

trình vì có "lưu chất làm việc" được tái sử dụng và tái sử dụng
trong một chu trình để chuyển năng lượng từ dạng này sang dạng
khác. Môi chất làm việc này là nước. (Hình 1-1) trình bày về
nguyên lý của một chu trình nhà máy điện chạy chất đốt từ những
sản phẩm hoá thạch (fossil) trong dạng sơ đồ cân bằng nhiệt dùng
để mô tả sự biến đổi năng lượng trong nhà máy.
+ Bước đầu tiên trong quá trình chuyển đổi là từ nhiên liệu
sang nhiệt hoặc năng lượng nhiệt dạng hơi. Quá trình này xảy ra
trong lò hơi. Bộ phận tạo hơi là một lò hơi trong một nhà máy
điện chạy bằng than, dầu hoặc gas. Trong nhà máy điện hạt nhân
thì lò hơi này chính là lò phản ứng hạt nhân. Điều quan trọng phải
hiểu là mặc dù chu trình của nhà máy nhiệt điện và nhà máy điện
hạt nhân rất giống nhau nhưng nguồn hơi của hai loại nhà máy
điện này rất khác nhau.
Sau đây sẽ mô tả về nhà máy nhiệt điện, còn những khác biệt so
với nhà máy điện hạt nhân sẽ nói sau. Lò hơi trong các nhà máy nhiệt
điện và lò phản ứng trong các nhà máy điện hạt nhân đều được gọi là
lò hơi, chức năng của chúng thì giống nhau là chuyển đổi năng lượng
từ nhiên liệu sang nhiệt năng dạng hơi. Nhiệt năng được giải phóng từ
nhiên liệu sang dạng hơi được hấp thu bởi nước (đôi khi còn gọi là
"môi chất") bởi nó được sử dụng để vận chuyển nhiệt năng trong suốt
chu trình. Nước sẽ chuyển sang dạng hơi, khi hấp thu nhiệt năng trong
lò hơi và hơi này sẽ theo đường ống đến tuabin. Trong những nhà máy
nhiệt điện hiện đại thì nhiệt độ hơi này thường từ 482 °C đến 565 °C
và áp suất từ 1800 psig đến 3600 psig.
+ Bước thứ hai trong quá trình chuyển đổi năng lượng này xảy ra
khi hơi đi qua tua bin và nhiệt năng này biến thành cơ năng để quay
máy phát. Hầu hết trong các nhà máy nhiệt điện lượng hơi này sẽ quay
về lò hơi để được làm nóng lại (bổ sung thêm nhiệt năng vào hơi) sau
khi đi qua tua bin.

+ Bước thứ ba trong quá trình chuyển đổi năng lượng xảy ra tại
máy phát nơi cơ năng chuyển thành điện năng. Không phải toàn bộ
năng lượng hơi đều chuyển sang cơ năng vì không phải toàn bộ hơi
đều đi qua tua bin. Một ít hơi được phép trích (còn gọi là hơi trích) từ
tua bin theo đường ống đến các bộ trao đổi nhiệt gọi là các bộ gia nhiệt
nước cấp.
Thông thường một lượng hơi trích này sử
dụng cho các tua bin nhỏ để chạy bơm nước cấp
cho các hệ thống phụ khác của nhà máy .
Hình 1-1: Sơ đồ đơn giản về chuyển đổi năng lượng
của một nhà máy điện.
Tuy nhiên, phần lớn hơi thoát ra từ tua bin sẽ
được gom vào bình ngưng (condenser). Bình ngưng
này cho phép áp suất hơi thoát được duy trì gần như
chân không (thông thường khoảng 1 psig, so với áp
suất môi trường là 14,7 psig). Việc duy trì áp suất
thấp này sẽ làm cho tua bin nhận được năng lượng
càng nhiều từ hơi. Đồng thời bình ngưng cũng ngưng
hơi thoát thành nước vì vậy nước đó có thể tái sử
dụng trong chu trình. Việc ngưng hơi này cần phải
tách nhiệt khỏi hơi. Bình ngưng đơn giản chỉ là một
bộ trao đổi nhiệt lớn làm cho nhiệt này chuyển sang
nước tuần hoàn. Khoảng 1/3 nhiệt năng hơi từ lò đưa
vào sẽ bị loại trong bình ngưng.
Hình 1.2: Chiều của dòng hơi trong Turbine
Hình 1.3a: hệ thống thiết bị phụ
Turbine hơi
Hơi sau khi được ngưng gọi là nước ngưng (condensate) sẽ gom vào bồn
bình ngưng. Nước từ hotwell sẽ được bơm bồn nước ngưng và từ đây nước

được bơm vào hệ thống nước cấp lò để tái sử dụng trong lò hơi. Những bơm
này đồng thời cũng bơm nước ngưng qua các bộ trao đổi nhiệt (như bộ hơi
chèn tua bin, các bộ làm mát nhớt tua bin, các bộ làm mát máy phát bằng
hydrogen) và các bộ gia nhiệt nước cấp. Những bộ trao đổi nhiệt và bộ gia
nhiệt nước cấp sẽ hâm nóng nước gần đến nhiệt độ sôi khi nước vào lò hơi.
Hâm nóng nước ngưng trước khi vào lò sẽ làm cho chu trình hiệu quả hơn và
tránh được việc nước lạnh vào lò sẽ gây sốc nhiệt và rạn nứt.
Như đã đề cập trên, chu trình của nhà máy nhiệt điện và nhà máy điện
hạt nhân rất giống nhau, tuy nhiên có một số điểm rất khác. Điều khác biệt
quan trọng nhất là hầu hết các lò phản ứng hạt nhân tạo hơi ở áp suất và nhiệt
độ thấp hơn đáng kể so với các nhà máy nhiệt điện, điển hình là khoảng 960
psig và 285
0
C.
Trên thực tế áp suất và nhiệt độ còn thấp hơn, nhiệt độ hơi chỉ bằng hoặc
cao hơn điểm sôi chút ít đối với áp suất mà lò phản ứng hoạt động. Điều này
có nghĩa là hơi trong tua bin của nhà máy điện hạt nhân được ngưng tụ ngay
khi vào tua bin. Đối với tua bin của các nhà máy nhiệt điện, hơi khô hiện hữu
trong hầu hết khắp mọi ngõ ngách tua bin vì nhiệt độ cao hơn nhiều. Điều này
sẽ gây ra sự cố đặc biệt cho tua bin của nhà máy điện hạt nhân vì nước giọt sẽ
gây mất hiệu quả và ăn mòn tua bin.
Tua bin của nhà máy điện hạt nhân có những đặc tính đặc
biệt là loại độ ẩm khi nó hình thành, tuy nhiên chỉ những đặc
tính này thì không đủ. Trong chu trình nhà máy điện hạt nhân
cần phải có những thiết bị đặc biệt gọi là những bộ tách ẩm
(moisture separator) để loại sự ngưng tụ. Các bộ tách ẩm này
được lắp đặt trên đường ống giữa phần cao áp và hạ áp của tua
bin. Lưu ý rằng do không có tua bin trung áp, nên hơi không trở
về lò phản ứng và được gia nhiệt như các lò hơi nhà máy nhiệt
điện thuần tuý. Một số nhà máy điện hạt nhân có bộ gia nhiệt,

tuy nhiên nó hoàn toàn khác so với của nhiệt điện thuần tuý.
Hơi từ lò phản ứng hoặc hơi trích từ tua bin được sử dụng
trong bộ trao đổi nhiệt loại vỏ (shell) hoặc loại ống. Thông
thường, xu hướng thiết kế hiện nay là các ống của bộ gia nhiệt
(reheater) được lắp trong bộ tách ẩm để tiết kiệm không gian.
Trong những trường hợp này, bồn chứa (vessel) được gọi là bộ
tách ẩm hoặc là bộ gia nhiệt.
Tất cả các bộ phận khác nhau trong một nhà
máy điện có hoạt động liên kết với nhau. Ví dụ,
nếu có sự cố gây giảm áp suất tại lò hơi thì các
van của tua bin sẽ đóng lại để giữ khỏi giảm áp
suất . Điều này sẽ làm cho công suất máy phát
giảm. Cũng như có nhiều ảnh hưởng khác như
thay đổi áp suất trong bình ngưng, thay đổi
nhiệt độ nước sắp hoá hơi vào lò, v.v… Vì vậy,
khi nói về việc vận hành tua bin - máy phát thì
phải hiểu rằng vận hành toàn bộ nhà máy điện.
Điều quan trọng đối với vận hành viên là phải
hiểu biết về sự tương tác lẫn nhau giữa các bộ
phận khác nhau cũng như tua bin - máy phát
I.3 Lý thuyết cơ bản về tua bin.
Những trình bày trên là sự mô tả một cách đơn giản về một
quá trình thực sự xảy ra trong một nhà máy điện. Khi hơi vào
tua bin có một nhiệt năng lớn do có nhiệt độ và áp suất cao. Sự
chuyển đổi năng lượng trong tua bin thực sự xảy ra ở hai bước.
Bước một, nhiệt năng chuyển sang động năng của tia hơi bởi
các nozzles (ống phun). Các tia hơi này sẽ thổi vào các cánh
trên rotor. Lực của các tia hơi này sẽ đập vào các cánh tua bin
tạo ra cơ năng để quay rotor. Sự hiểu biết cơ bản này sẽ bổ ích
và giúp cho vận hành viên hiểu về sự vận hành của tua bin -

máy phát.
Hình 1-3b :Thiết kế cơ bản của một tua bin hơi.
a) Nozzles (ống phun)
Nozzle là một bộ phận chuyển đổi nhiệt năng của lưu chất (khí hoặc
chất lỏng) sang động năng do giản nở của lưu chất đó. Loại nozzle hội tụ
điển hình (xem hình 1-4a).
Giả sử hơi ở nhiệt độ T1 và áp suất P1 đi vào nozzle hội tụ. Đối với hơi
thì áp suất và nhiệt độ càng cao thì nhiệt năng càng cao. Hơi chuyển động
với tốc độ V1 trước khi vào nozzle. Hơi ra khỏi nozzle với nhiệt độ T2 và
áp suất P2 thấp hơn nhưng với tốc độ V2 lớn hơn vì một số nhiệt năng đã
chuyển thành động năng. Động năng tỷ lệ với bình phương tốc độ, vì vậy
khi tốc độ tăng thì động năng cũng tăng theo.
Hình 1.4a: Vòi phun hội tụ
Tỷ lệ giữa áp suất đầu vào và đầu ra của
nozzle là một giới hạn sao cho việc vận hành
nozzle hiệu qủa. Giới hạn này để thiết kế cho
vận hành với một tỷ lệ áp suất là một hằng số
để cho việc chuyển đổi năng lượng có hiệu quả
nhất. Nếu các điều kiện của tua bin làm thay
đổi tỷ số áp suất thì sẽ giảm hiệu quả. Sự cố
thường xảy ra trong vận hành đối với nozzle là
sự ăn mòn do cặn bã trong hơi.
Hình 1-4b : Sự
chuyển đổi
năng lượng (P-
V) trong vòi
phun.
b) Các loại tua bin cơ bản.
Động năng của hơi thì không hữu ích và tự nozzle
không thể chuyển năng lượng từ hơi sang cơ năng hữu

ích được. Có 2 loại tua bin cơ bản là tua bin xung lực và
tua bin phản lực. Cả hai đều sử dụng nozzle và cánh
rotor (rotor buckets) theo các cách khác nhau.
c) Tua bin xung lực (impulse tuabine).
(Hình 1-5a) mô tả nguyên lý vận hành của tuabin
xung lực. Hơi đi vào tuabin xung lực đi qua một nozzle
tĩnh (stationary nozzle) sau đó giãn nở và tạo ra tia hơi,
tia hơi này đập vào các cánh rotor.
Trong một tua bin xung lực lý tưởng, hơi giãn nở khi
qua nozzle tĩnh, và các cánh chỉ làm thay đổi tốc độ hơi.
Sau này chúng ta sẽ thấy các tua bin xung lực thuần túy,
lý tưởng thỉnh thoảng được ứng dụng trong thực tiễn.
Hình 1-5a : Tua bin xung lực cơ bản đơn giản.
Hình 1-5b :Sự chuyển
đổi năng lượng trong
tua bin xung lực (lưu
lượng không thay đổi
trong khi bánh xe công
tác chuyển động).
Hình 1-6: Chiều của dòng hơi
trong cánh xung lực.
Hình 1-7: Tầng cánh của một
tua bin xung lực lý tưởng.
(Hình 1-7) tầng cánh của một tua bin xung lực lý tưởng.
Từng bộ nozzles và cánh rotor gọi là một tầng cánh (stage). Sơ đồ
trong hình 1-7 cho thấy tất cả áp suất rơi trong một tầng cánh xảy
ra tại nozzles, tốc độ và thể tích hơi tăng lên cũng tại nozzles.
Hơi giãn nở ra sẽ đập vào các cánh làm cho cánh rotor quay
đồng thời tốc độ hơi bị giảm. Lực của hơi trên các cánh sẽ tạo ra
cơ năng cần thiết để quay máy phát. Năng lượng này có từ hơi,

mà trong đó có một số nhiệt năng bị mất đi do áp suất, nhiệt độ và
tốc độ đã bị giảm.
Trong những nhà máy điện hiện đại có công suất lớn, hơi có
nhiệt năng lớn cung cấp vào tua bin. Sẽ không thực tế và giảm
hiệu suất nếu như thiết kế tua bin với một nozzle cùng với rotor
lớn đủ để chuyển toàn bộ năng lượng hơi sang năng lượng hữu
dụng. Vì vậy, các loại tua bin hiện đại có công suất lớn thường
thiết kế nhiều tầng cánh, mỗi tầng cánh chuyển đổi một phần
nhiệt năng của hơi sang cơ năng. Trong một tua bin nhiều tầng
cánh cơ bản, hơi đi vào tầng cánh rotor thứ nhất, sau đó vào tầng
thứ hai. Sau đó một số nhiệt năng còn lại sẽ chuyển sang động
năng. Luồng hơi khi thoát khỏi nozzle tầng hai sẽ đẩy cánh tầng
hai quay.