Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp

Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
Lời nói đầu
Để đáp ứng tăng trưởng kinh tế cao trong giai đoạn hiện nay củng như đảm bảo
an ninh năng lượng cần phát triển mạnh việc sản xuất điện nói chung và các nhà máy
nhiệt điện nói riêng
Nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp (Combined cycles power plant – CCPP) ra
đời trong những năm gần đây, với công nghệ tiến nó đã phát triển nhanh chóng và được
chuyển giao khắp thế giới. Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2006 –2015
có xét đến 2025, Chính phủ củng đã ưu tiên phát triển loại nhà máy điện này.
Vì vậy cần phải đánh giá một cách toàn diện về Nhà máy nhiệt điện chu trình
hỗn hợp để xây dựng hợp lý và khai thác tối đa hiệu quả của nó. Xuất phát từ yêu cầu
đó tôi được giao nhiệm vụ cho đồ án Tốt nghiệp là “ Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà
Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp” để đánh giá hiệu suất nhiệt của nó.
Bằng nổ lực bản thân cùng với sự hướng dẫn tận tình của TS Trần Thanh Sơn và
các Kỹ sư ở các nhà máy điện Cà Mau 1, Phú Mỹ 3, tôi đã hoàn thành đề tài với các
phần chính sau:
- Chương 1: Khái quát chung
- Chương 2: Nguyên lý nhiệt động chu trình hỗn hợp trong nhà máy nhiệt điện
- Chương 3: Các thành phần thiết bị chính của nhà máy nhiệt điện CCPP
- Chương 4: Tính toán kiểm tra nhiệt nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1
Do thời gian hạn chế, củng như kiến thức còn khiếm khuyết nên không thể tránh
khỏi sai sót. Rất mong được sự chỉ dạy, góp ý của thầy cô và các anh chị để tôi ngày
một hoàn thiện hơn
Lời cuối tôi chân thành cảm ơn thầy Trần Thanh Sơn, cùng các thầy cô giáo
trong khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh đã giúp tôi hoàn thành Đồ án này!
Đà Nẳng, tháng 5 năm 2008
Sinh viên: Lý Hoàng Minh
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 1
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
Chương 1

Giới thiệu chung
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 2
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
1.1 Giới thiệu về điện năng
Năng lượng điện ngày càng đóng vai trò quan trọng trên thế giới, là nhu cầu
không thể thiếu cho xã hội phát triển. Dựa vào khả năng sản suất và tiêu thụ điện
năng mà ta có thể đánh giá được phần nào về sự phát triển của nền công nghiệp
nước đó. Điện năng được sản xuất theo nhiều cách khác nhau và tuỳ theo loại năng
lượng chuyển hoá thành điện năng mà người ta chia ra các loại nhà máy điện như:
- Nhà máy nhiệt điện
- Nhà máy thuỷ điện
- Nhà máy điện nguyên tử
- Nhà máy phong điện (dùng sức gió)
- Nhà máy điện năng lượng mặt trời
- …
Hiện nay phổ biến nhất là nhà máy nhiệt điện ở đó nhiệt năng khi đốt các nhiên
liệu hữu cơ như: than, dầu, khí đốt…được biến đổi thành điện năng. Trên thế giới hiện
nay 70% lượng điện được sản xuất bởi các nhà máy nhiệt điện. Riêng ở Việt Nam lượng
điện năng do các nhà máy nhiệt điện sản xuất ra củng chiếm hơn 55 % lượng điện toàn
quốc. nhưng còn phụ thựôc vào nguồn nhiên liệu dự trữ sẵn có, điều kiện kinh tế củng
như sự phát triển của khoa học kỹ thuật.
Trong những thập kỷ gần đây nhu cầu về nhiên liệu lỏng trong công nghiệp, giao
thông vận tải và sinh hợt ngày càng tăng, trong khi trữ lượng các mỏ dầu đang giảm
dần. Do đó người ta đã hạn chế dùng nhiên liệu lỏng cho các nhà máy nhiệt điện, mà
chủ yếu sủa dụng nhiên liệu rắn và nhiên liệu khí làm những nhiên liệu chính của nhà
máy nhiệt điện.
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 3
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp

1.2 Phân loại nhà máy nhiệt điện
Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu hưu cơ có thể chia ra các loại sau:
• Phân loại theo nhiên liệu sử dụng:
- Nhà máy đốt nhiên liệu rắn
- Nhà máy đốt nhiên liệu lỏng
- Nhà máy đốt nhiên liệu khí
- Nhà máy đốt hai hoặc ba laoi nhiên liệu trên (hỗn hợp)
• Phân loại theo tuabin máy phát:
- Nhà máy nhiệt điện tuabin hơi
- Nhà máy nhiệt điện tuabin khí
- Nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp tuabin khí-hơi
• Phân loại theo dạng năng lượng được cấp đi:
- Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi: chỉ sản xuất điện
- Trung tâm nhiệt điện: cung cấp cả điện và nhiệt
• Phân loại theo kết cấu công nghệ
- Nhà máy nhiệt điện kiểu khối
- Nhà máy nhiệt điện kiểu không khối
• Phân loại theo tính chất mang tải
- Nhà máy nhiệt điện phụ tải gốc, có số giờ sử dụng công suất đặt hơn
5.10
3
giờ
- Nhà máy nhiệt điện phụ tải giữa, có số giờ sử dụng công suất đặt
khoảng (3 – 4).10
3
giờ
- Nhà máy nhiệt điện phụ tải đỉnh, có số giờ sử dụng công suất đặt
khoảng 1500 giờ
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 4

Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
1.3 Khái quát chung về nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp
tuabin khí - hơi
Các tài liệu khoa học thường đưa ra đề nghị kết hợp hai hay nhiều chu trình nhiệt
với nhau trong một nhà máy nhiệt điện, với mục đích làm tăng hiệu suất so với các chu
trình đơn. Về mặt lý thuyết hiệu suất nhiệt khi kết hợp các quá trình nhiệt với nhau dù
chúng có hoạt động trong cùng điều kiện làm việc hoặc khác nhau hay không. Tuy nhiên
sự kết hợp giữa các chu trình có điều kiện làm việc làm việc khác nhau thường được
quan tâm nhiều hơn vì thuận lợi của chúng là có thể bổ sung cho nhau.
Thông thường các chu trình được đặt ở “đầu” và “cuối” của chu trình chung.
“Chu trình đầu” là chu trình đầu tiên mà hầu như nhiệt lượng được cấp ở chu trình này,
nhiệt thải của nó sinh ra được sử dụng cho quá trình kế tiếp có nhiệt độ làm việc thấp
hơn vì thế có thể gọi là “ chu trình cuối”.
Việc chọn lựa hợp lý điều kiện làm việc giúp tạo ra khả năng một chu trình toàn
diện với các quá trình nhiệt động tối ưu của nhiệt lượng ở dãi nhiệt độ cao và nhiệt thừa
trao đổi ở môi trường mức nhiệt độ thấp nhất có thể có. Thường chu trình đầu và chu
trình cuối đi theo cặp trong một bộ (hệ thống) biến đổi nhiệt.
Quay trở lại hiện tại chỉ một chu trình hỗn hợp được công nhận rộng rải nhiều
nơi đó là nhà máy nhiệt điện hỗn hợp tuabin khí/ tuabin hơi. Bởi vì nhà máy loại này sử
dụng được hầu hết các nhiên liệu hóa thạch (đặc biệt là nhiên liệu lỏng hoặc khí). Hình
vẽ 1 sơ đồ đơn giản cho việc lắp đặt một hệ thống loại này, trong đó một chu trình mở
tuabin khí kèm theo sau bởi một quá trình hơi. Nhiệt thừa từ tuabin khí được dùng để
sản sinh hơi cấp cho tuabin hơi.
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 5
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
Hình 1.1: Sơ đồ đơn giản hệ thống nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp tuabin
khí-hơi
1 – Máy nén 2 – Tuabin khí
3 – Thiết bị sinh hơi 4 – Tuabin hơi

5 - Thiết bị ngưng tụ 6 - Cửa cấp nhiên liệu tuabin khí
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 6
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
Những kiểu kết hợp khác có thể được ứng dụng như là quá trình bay hơi thủy
ngân, hoặc chu trình bay hơi , hấp thụ nước trong dung môi hấp phụ (dung dịch kim loại
Li/Br) hay hơi NH
3
.
- Quá trình bay hơi thủy ngân thi không còn ứng dụng nhiều kể từ khi nhà máy
nhiệt điện hơi đối lưu đã đạt được hiệu suất cao hơn nó.
- Môi chất hấp phụ hay hơi amoniac thì có những ưu điểm hơn so với nước ở
dải nhiệt độ thấp như thiết bị gọn hơn, không gây ẩm ướt. Tuy nhiên chúng
có nhược điểm là vốn đầu tư đắt, ảnh hưởng tới môi trường .v.v. là trở ngại
lớn để thay thế cho quá trình hơi trong chu trình hỗn hợp của nhà máy nhiệt
điện.
Chúng ta đi đến kết luận rằng phương án kết hợp một chu trình mở của tuabin
khí với một chu trình nước/hơi thì có hiệu quả nhất. Tất nhiên một số trường hợp áp
dụng đặc biệt có thể sử dụng riêng mỗi chu trình tuabin khí trong ngắn hạn.
Hai lý do chính để chu trình hỗn hợp tuabin khí/ tuabin hơi dược áp dụng rộng
rãi hơn so với các chu trình hỗn hợp khác trong nhà máy nhiệt điện.
- Sử dụng chính các thiết bị đã có sẳn trong nhà máy nhiệt điện vận hành chu
trình đơn. Vì thế tiết kiệm được vốn đầu tư
- Không khí là một môi chất tương đối an toàn, sạch và rẻ có thể được sử dụng
trong các tuabin khí hiện đại có mức nhiệt độ cao hơn (>1000
0
C). Vì thế cung cấp được
điều kiện tối ưu cho “chu trình đầu”.
Ngoài ra quá trình hơi sử dụng nước củng là môi chất kinh tế và dễ kiếm, nhưng
nên dùng ở phạm vi nhiệt độ trung bình và thấp. Nhiệt độ nhiệt thừa từ tuabin khí hiện

đại ngày nay rất thuận lợi cho quá trình hơi. Vì lẽ đó hoàn toàn có lý khi sử dụng quá
trình hơi làm chu “trình cuối”. Thật ra trong lịch sử phát triển tuabin khí đã đề cập đến
việc kết hợp tuabin khí/ tuabin hơi nhưng ứng dụng một cách rộng rãi chỉ mới những
năm gần đây khi tuabin khí đạt đựơc nhiệt độ vào đạt được giá trị có thể tạo ra một hiệu
suất chu trình khá cao.
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 7
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
Ngày nay tổng công suất cài đặt của các nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp
tuabin khí/ tuabin hơi trên toàn bộ thế giới đã trên 30.000 MW (1997), và đang tăng rất
nhanh hằng ngày.
Ở Việt Nam những năm gần đây để đáp ứng nhu cầu điện năng bức thiết của đất nước,
hàng loạt các nhà máy, trung tâm nhiệt điện sử dụng chu trình hỗn hợp như:
- Nhà máy nhiệt điện Bà Rịa từ 1997 lắp đặt thêm các cụm đuôi phần hơi chu
trình hỗn hợp đến nay nhà máy đạt công suất 340 MW
-Trung Tâm Nhiệt Điện Phú Mỹ tổng công suất hơn 3000 MW
- Nhà Máy Nhiệt Điện Cà Mau 1 công suất 750 MW
- Nhà Máy Nhiệt Điện Cà Mau 2 công suất 750 MW (đang xây dựng)
- Nhà Máy Nhiệt Điện Nhơn Trạch 1 công suất 450 MW
- Nhà Máy Nhiệt Điện Nhơn Trạch 2 công suất 750 MW (đang xây dựng)
- Nhà Máy Nhiệt Điện Ô Môn II công suất 750 MW (quy hoạch)
- Trung Tâm Nhiệt Điện Miền Nam tổng công suất 2250 MW (quy hoạch)
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 8
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
Chương 2
Nguyên lý nhiệt động chu trình
hỗn hợp trong nhà máy nhiệt điện
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 9

Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
2.1 Tiền đề cơ bản ( Hiệu suất chu trình Carnot )
Như đã biết, hiệu suất chu trình Carnot là hiệu suất lớn nhất của một chu trình
nhiệt lý tưởng:
W
W
T
TT
K
C
−
=
η
(1)
Ở đây:
η
C
_ Hiệu suất chu trình Carot
T
W
_ Nhiệt độ nguồn nhiệt cấp
T
K
_ Nhiệt độ môi trường
Trên thực tế hiệu suất các quá trình thực thấp hơn do các tổn thất. Lý do đựoc
đưa ra là do có sự khác biệt giữa năng lượng tổn thất và tổn thất execgy. Năng lượng tổn
thất là phần tổn thấ nhiệt chủ yếu (bức xạ nhiệt, trao đổi nhiệt đố lưu), và đó là năng
lượng mất cho quá trình. Mặt khác, tổn thất execgy là tổn thất bên trong bản thân của
quá trình không thuận nghịch theo nguyên lý nhiệt động II
Hai lý do chính dẫn đến hiệu suất quá trinh thực thấp hơn hiệu suất chu trình

Carnot:
- Thứ nhất, chênh lệch nhiệt độ trong quá trình cấp nhiệt cho chu trình rất lớn.
Ví dụ trong nhà máy nhiệt điện hơi đối lưu, nhiệt độ hơi lớn nhất chỉ khoảng
810
0
K, trong khi đó nhiệt độ tại buồng đốt trong lò hơi xấp xỉ 2000
0
K.
- Rồi thì nhiệt lượng thải ra từ quá trình cũng có nhiệt độ cao hơn môi trường
xung quanh.
Cả hai quá trình trao đổi nhiệt trên vì thế đều bị tổn thất.
Cách tốt nhất để tăng hiệu suất là tìm cách giảm tổn thất, có thể thực hiện bằng
cách tăng tối đa nhiệt độ của chu trình, giảm nhiệt thải ở nhiệt độ thấp nhất có thể.
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 10
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
Từ lý luận đó, chu trình hỗn hợp được đặc biệt quan tâm và nghiên cứu.
Vì thực tế, không có chu trình đơn nào thực hiện cả hai việc trên được mức độ
nhhư nhau, củng như giới hạn về vật liệu và khả năng chế tạo của nó, đó là lý do hợp lý
để chọn phương pháp kết hợp 2 chu trình: một với quá trình nhiệt độ cao, và một cho
quá trình làm mát cuối cùng. Trong một chu trình mở của tuabin khí, nhiệt độ quá trình
có thể đạt được rất cao nhiệt được ccấp trực tiếp cho chu trình. Tuy nhiên, nhiệt độ khói
thải từ tuabin khí vì thế củng kha cao. Trong chu trình hơi, nhiệt độ quá trình lớn nhất
không quá cao, nhưng nhiệt độ khó thải ra môi trường rất thấp.
Như vậy chu trình hỗn hợp chu tuabin khí và tuabin hơi được xem là cung cấp
một phương thức hợp lý nhất cho một chu trình nhiệt hiệu suất cao. Khi so sánh với các
chu trình đơn khác, ngay cả các chu trình được lắp đặt cải tiến rất công phu, phức tạp
như kiểu nhà máy nhiệt điện ngưng hơi có gia nhiệt củng có hiệu suất Carnot lý thuyết
thấp hơn 10-15 % so với chu trình hỗn hợp.
Mặt khác tổn thất execgy của chu trình hỗn hợp tuabin khí – hơi củng lớn hơn do

chênh lệch nhiệt độ ở quá trình trao đổi nhiệt giữa nhiệt thừa từ tuabin khí với chu trình
của hơi/nước là thực sự rất lớn. Vì thế có thể thấy được lý do tại sao khác biệt hiệu suất
thực tế đạt được của chu trình hỗn hợp với các chu trình khác củng không quá lớn.
Bảng 2.1: So Sánh nhiệt động của các chu trình nhiệt nhà máy nhiệt điện.
Nhiệt độ nhiệt
cấp (
0
K)
Nhiệt độ nhiệt
thải (
0
K)
Hiệu suất chu trình
Carnot (%)
Tuabin khí 950-1000 500-550 42-47
Nhiệt điện ngưng hơi
không gia nhiệt
550-630 320-350 37-50
Nhiệt điện ngưng hơi có
gia nhiệt
640-700 320-350 45-54
Nhiệt điện chu trình hỗn
hợp
950-1000 320-350 63-68
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 11
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
2.2 Hiệu suất nhiệt nhà máy nhiệt điện tuabin khí-hơi.
Nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp tuabin khí-hơi là chu trình kết hợp gồm
chu trình mở tuabin khí với chu trình Renkin hơi nước.

Sơ đồ thiết bị và đồ thị T-s của chu trình hỗn hợp tuabin khí-hơi
Nguyên lý làm việc của chu trình:
Không khí được nén đoạn nhiệt trong máy nén đến áp suất và nhiệt độ cao, được
đưa vào buồng đốt hòa trộn với nhiên liệu và cháy trong buồng đốt ở áp suất cao, không
đổi. Sản phẩm cháy đi vào tuabin khí , dãn nở sinh công cho máy phát. Ra khỏi tuabin
khí sản phẩm cháy có nhiệt độ còn rất cao, tiếp tục đi vào thiết bị hồi nhiệt sinh hơi cấp
nhiệt cho chu trình nước-hơi, rồi thải ra ngoài.
Nước được bơm cấp nước bơm vào trong thiết bị thu hồi nhiệt sinh hơi nhận
nhiệt và biến thành hơi quá nhiệt. Hơi quá nhiệt đi vào tuabin hơi dãn nở đoạn nhiệt sinh
công cho máy phát. Ra khỏi tuabin, hơi đi vào bình ngưng, nhả nhiệt đẳng áp ngưng tụ
thành nước rồi được bơm trở về thiết bị sinh hơi, lặp lại chu trình cũ.
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 12
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
Trên đồ thị T-s các chu trình nhiệt được biểu diễn như sau:
- a-b : quá trình nén đoạn nhiệt không khí trong máy nén khí.
- b-c : quá trình cấp nhiệt (cháy) đẳng áp trong buồng đốt
- c-d : quá trình dãn nở đoạn nhiệt sinh công trong tuabin khí
- d-a : quá trinh nhã nhiệt đẳng áp trong thiết bị thu hồi nhiệt sinh hơi
- 3-1’-1’’-1 : quá trình nước nhận nhiệt đẳng áp trong thiết bị sinh hơi
- 1-2; 2-2’; 2’-3 : các quá trình giãn nỡ đoạn nhiệt trong tuabin hơi, ngưng đẳng
áp trong bình ngưng, và nén đoạn nhiệt trong bơm như chu trình Renkin
Như đã nói trên, nhiệt lượng sản phẩm cháy chỉ cấp trực tiếp trong tuabin khí.
Tuy nhiên một số chu trình hỗn hợp khi lắp đặt cần thiết có cấp nhiệt bổ sung ở
thiết bị sinh hơi, nghĩa là một phần nhiệt được cấp trực tiếp từ buồng đốt tuabin khí đến
chu trình hơi.
Theo đó, hiệu suất nhiệt nhà máy chu trình hỗn hợp được xác định tổng quát như
sau:
SFGT
STGT

K
QQ
+
+
=
WW
η
(2)
Nếu không cấp nhiệt bổ sung ở lò sinh hơi(Q
SF
= 0), thì công thức là:
GT
STGT
K
Q
WW
+
=
η
(3)
Trường hợp tổng quát, hiệu suất các chu trình đơn được định nghĩa là:
- Với chu trinh tuabin khí:
GT
GT
GT
Q
W
=
η
(4)

- Với chu trình tuabin hơi
XHESF
ST
ST
QQ
W
+
=
η
(5)
( )
GTGTE
QQ
η
−=
1
XH
(6)
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 13
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
Kết hợp 2 phương trình trên ta được:
( )
GTGTSF
ST
ST
QQ
W
η
η

−+
=
1
(7)
Trong đó:
η
K
_ Hiệu suất chu trình hỗn hợp
η
GT
_ Hiệu suất tuabin khí
η
ST
_ Hiệu suất chu trình hơi
W
GT
_ Công suất điên tuabin khí, kW
W
ST
_ Công suất điện tuabin hơi, kW
Q
GT
_Nhiệt cấp của sản phẩm cháy cho tuanbin khí ( cho chu trình), kW
Q
EXH
_ Nhiệt cấp cho chu trình hơi từ tuabin khí, kW
Q
SF
_Nhiệt cấp bổ sung cho lò sinh hơi, kW
2.2.1 Tác động của nhiệt cấp bổ sung ở lò sinh hơi đến hiệu suất trên toàn

chu trình hỗn hợp
Ta thực hiện thế phương trình (4) va phương trình (7) vào phương trình (2) ta có:
[ ]
( )
SFGT
GTGTSFSTGTGT
K
QQ
QQQ
+
−++
=
ηηη
η
1
(8)
Nhận xét rằng nhiệt cấp bổ sung ở lò sinh hơi làm tăng hiệu suất toàn chu trình khi
0
>
∂
∂
SF
K
Q
η
(9)
Biến đổi vi phân phương trình (8) ta được bất đẳng thức:
( )
( )
( ) ( ) ( )

011
1
2
>



−⋅−+⋅








−
∂
∂
+
+⋅−+⋅












+
∂
∂
+⋅
+
=
∂
∂
GTGTSTSFGTGTGT
SF
ST
SFSTSFGTSTSF
SF
ST
GTGT
SFGT
SF
K
QQQQ
Q
QQQQ
Q
Q
QQ
Q
ηηη
η
ηη

η
η
η
(10)
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 14
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
Từ đó ta được:
( )( )
( )( )
SFGT
GTGTSFSTGTGT
STGTGTSF
SF
ST
QQ
QQQ
QQ
Q
+
−++⋅
>+−+
∂
∂
ηηη
ηη
η
1
1
(11)

Vì giá trị vế thứ 2 của bất đẳng thức bằng giới hạn của chu trình, nên bất đẳng
thức có thể viết là:
( )
[ ]
STKGTGTSF
SF
ST
QQ
Q
ηηη
η
−〉−+
∂
∂
1
(12)
Giá trị
( )
[ ]
GTGTSF
QQ
η
−+
1
chính là nhiệt lượng cấp vào cho chu trình hơi. Do đó
công trở thành:
STK
ST
ST
SF

ST
W
Q
ηη
η
η
−〉⋅
∂
∂
(13)
Phương trình (13) cho thấy nhiệt cấp bổ sung cho thiết bị sinh hơi sẽ làm tăng
hiệu suất chu trình hỗn hợp chỉ khi nó làm tăng hiệu suất chu trình hơi. Hơn nữa hiệu
suất chu trình hỗn hợp khác với chu trình hơi, và nhiệt độ nhiệt lượng cấp vào chu trình
hơi càng thấp thì hiệu suất càng tăng. Vì thế nhiệt cấp bổ sung tác dụng giảm dần và ít
hiệu quả: bởi hiệu suất toàn bộ chu trình tăng rất nhanh trong khi hiệu suất chu trình hơi
chỉ tăng trong phạm vi (η
K
-η
ST
).
Như đã đề cập trên, nhìn chung thì toàn bộ nhiên liệu nên đốt trong tuabin khí
hiện đại, vì nhiệt độ của nhiệt lượng cấp cho chu trình ở mức cao hơn so với cấp tại chu
trình hơi.
2.2.2 Hiệu suất nhà máy chu trình hỗn hợp không có đốt bổ sung nhiệt ở
lò sinh hơi
Không bổ sung nhiệt thì phương trình (8) có thể được viết như sau:
( )
( )
GTSTGT
GT

GTGTSTGTGT
K
Q
QQ
ηηη
ηηη
η
−+=
−⋅+⋅
=
1
1
(14)
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 15
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
Đưa về vi phân để ta có thể đánh giá ảnh hưởng của hiệu suất tuabin khí đến hiệu suất
toàn bộ chu trình.
( )
STGT
GT
ST
GT
K
ηη
η
η
η
η
−−

∂
∂
+=
∂
∂
11
(15)
Tăng hiệu suất tuabin khí sẽ làm tăng hiệu suất toàn chu trình chỉ khi:
0
〉
∂
∂
GT
K
η
η
(16)
Từ phương trình (15) ta có:
GT
ST
GT
ST
η
η
η
η
−
−
〈
∂

∂
−
1
1
(17)
Hiếu suất tuabin khí tăng cao chỉ có ích khi nó không ảnh hường làm cho hiệu
suất chu trình hơi giảm xuống
Bảng dưới đây đưa ra mức giảm
GT
ST
η
η
∂
∂
−
lớn nhất cho phép như một hàm của
hiệu suất tuabin khí
Bảng 2.2: Mức giảm hiệu suất cho phép hiệu suất chu trình hơi biểu diễn
như một hàm số của hiệu suất tuabin khí ( Hiệu suất chu trình hơi =
0.25)
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 16
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
Nó cho biết rằng hiệu suất tuabin khí càng cao thì có thể gây ra giảm hiệu suất
chu trình hơi. Sự cân đối tương quan của công suất ra toàn chu trình được quyết định
bởi việc tăng hiệu suất tuabin khí, và đồng thời giảm tác động làm hạ hiệu suất chu trình
hơi. Nhưng một tuabin khí vơi hiệu suất cao nhất chưa chắc thiết lập được chu trình hỗn
hợp tối ưu cho nhà máy.
Ví dụ như với một nhiệt độ vào không đổi, một tuabin có tỉ số nén cao thì
đạt được hiệu suất cao hơn so với loại có tỉ số nén vừa phải, tuy nhiên tuabin hơi

đi kèm với loại có tỉ số nến vừa phải lại hoạt động có hiệu suất cao hơn vì nhiệt
độ nhiệt thừa từ tuabin khí cấp cho quá trình hơi cao hơn, và tạo được công suất
ra cao hơn.
Đồ thị 2.2a biểu diễn hiệu suất của riêng tuabin khí bởi hàm số theo thông số
nhiệt độ vào, ra tuabin. Ta thấy rằng hiệu suất cao nhất của tuabin khí ở nhiệt độ khói
khá thấp (nghĩa là tỉ số nén của tuabin cao)
Đồ thị 2.2b biểu diễn hiệu suất toàn chu trình củng theo hàm số với các thông số
trên. So sánh với đồ thị 2.2a thì điểm tối ưu theo chiều hướng tăng nhiệt độ khói từ
tuabin khí. Tuỳ theo mục đích kinh tế, ngày nay tuabin khí khá tối ưu hoá, không quá
chú trọng đến hiệu suất riêng mà nó quan tâm nhiều đến tỷ trọng lớn nhất điện năng sản
xuất được. Hầu hết tuabin khí hiện nay đều phù hợp lắp đặt cho nhà máy điện chu trình
hỗn hợp.
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 17
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
Đồ thị 2.2: Hiệu suất của tuabin khí trong nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp
theo hàm số của nhiệt độ vào, ra tuabin khí
a) Riêng tuabin khí
b) Nhà máy điện chu trình hỗn hợp
t
1
_ nhiệt độ cháy trong buồng đốt tuabin khí
t
2
_ nhiệt độ khói ra khỏi tuabin khí
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 18
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
Tóm lại ta có thể nói:
Hiệu suất tuabin khí không phải là yếu tố quyết định hiệu suất toàn chu trình

trong nhà máy điện chu trình hỗn hợp, mà quan trọng là thông số đầu vào của tuabin
khí, cụ thể là nhiệt độ cháy của hỗn hợp nhiên liệu trong buồng đốt.
Trong một số trường hợp ta quan tâm đến hiệu suất chu trình hơi, nhưng nó không quan
trọng lắm vì thường tuabin khí là “thiết bị chuẩn”, nhiệt lượng cấp cho chu trình hơi là
từ khói của tuabin khí, và vấn đề nằm trong hiệu quả biến đổi nhiệt của các thiết bị trao
đổi nhiệt.
Kết luận:
Nhà máy điện chu trình hỗn hợp không đốt bổ sung đạt được những thuận lợi về
nhiệt động học hơn. Nó có những ưu điểm sau:
- Hiệu suất cao: có thể đạt được trên 50 %
- Chi phí đầu tư không cao lắm: Vì 2/3 công suất được tạo ra từ tuabin khí, chỉ
1/3 được sản xuất từ quá trình hơi, cho nên có thể giảm được gần 30 % chi
phí so với nhà máy nhiệt điện ngưng hơi
- Lượng nước cấp ít: Chỉ cần khoảng 40 – 50 % so với nhà máy nhiệt điện
ngưng hơi tương đương
- Hoạt động được ở nhiều chế độ: Chỉ sử dụng chu trình đơn quá trình hơi nên
có thể khởi động và ngưng hoạt động khá nhanh, điều náy giúp khả năng điều
chỉnh hiệu quả hơn ( như điều chỉnh sao cho tổn thất khi khởi động giảm
xuống, …)
- Có thể tiến hành lắp đặt theo từng giai đoạn, và từng cụm: Tuabin khí có thể
đi vào hoạt động sớm hơn tuabin hơi rất nhiều, nhà máy có thể mở rộng dần.
Ta có thể tính toán đầu tư hợp cho từng giai đoạn theo nhu cầu điện năng của
hệ thống điện lưới quốc gia. Và cuối cùng ta có thể lắp đặt thêm hệ thống sử
dụng nhiên liệu than khí hoá nếu trường hợp giá khí đốt và dầu tăng cao
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 19
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
- Hoạt động dễ dàng: Một nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp không cấp đốt
bổ sung hoạt động khá đơn giản hơn nhiều so vói nhà máy điện ngưng hơi.
Hơn nữa nhà máy chu trình hỗn hợp hoạt động hầu như hoàn toàn tụe động,

nó củng sử dụng dặc biệt thích hợp cho những nơi ít kinh nghiệm vận hành
- Ít tác động tới môi trường: Nhiên liệu khí tự nhiên đốt trong nhà máy thich
hợp với các nhà máy đặt ở nơi đông dân cư vì nó có hiệu quả đốt chay cao và
mức độ tro phát thải ra ngoài thấp, đặc biệt nồng độ NO
X
rất thấp và giảm
được 40 % lượng CO
2
thoát ra trên mổi kWh so với đốt than đá
- Công suất điện có thể tăng 40 % so với nhà máy điện ngưng hơi cùng áp suất
làm việc
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 20
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
Chương 3
Thành Phần Thiết Bị Chính Trong
Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình
Hỗn Hợp
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 21
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
3.1 Thiết Bị Tuabin Khí
3.1.1 Khái niệm Tuabin khí
Tuabin khí là động cơ nhiệt trong đó biến đổi hoá năng của nhiên liệu thành nhiệt
năng rồi thành cơ năng. Quá trình biến đổi năng lượng trong tuabin khí có thể thực hiện
bằng nhưng chu trình khác nhau.
Tuabin khí là thành phần quan trọng nhất trong nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn
hợp tuabin khí/ tuabin hơi. Với sự phát triển nhanh chóng của tuabin khí ngày nay, nhiệt
độ đầu vào tuabin đạt được ngày càng lớn tạo điều kiện cho chu trình hỗn hợp chiếm ưu
thế và hiệu quả sẩn xuất điện so với các chu trình nhiệt khác.

Song song với quá trình phát triển tuabin khí là cải tiến máy nén đi kèm theo nó
để nén không khí cấp quá trình đốt trong buồng đốt tuabin. Ngày nay máy nén có thể
nén với lưu lượng và tỉ số nén lớn hơn rất nhiều, vi thế có thể đạt đựoc công suất điện
lớn hơn, đồng thời giảm được chi phí và tăng hiệu suất chu trình.
Ưu điểm:
- Bố cục gọn
- Tính cơ động vận hành cao, như mở máy nhanh, thay đổi tải lớn
- Vận hành không cần nước, hay yêi cầu rất ít nước
- Thời gian xây dựng nhanh
Nhược điểm:
- Giá thành nhiên liệu cao
- Giá thành vật liệu, chi phí sản xuất cao hơn
- Khó sữa chữa
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 22
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật tiêu biểu của các Tuabin khí lắp đặt cho hệ
thống chu trình hỗn hợp trên thị trường
Công suất ra (theo tiêu chuẩn ISO) 1-150 MW
Hiệu suất (theo tiêu chuẩn ISO) 28-35 %
Tỉ số nén 10-18
Nhiệt độ đầu vào tuabin 950-1150
0
C
Nhiệt độ khói ra khỏi tuabin 480-570
0
C
Lưu lượng khói ra khỏi tuabin 30-500 kg/s
Tuabin khí (loại tĩnh) có thể được xếp theo các loại sau:
- Tuabin khí xuất phát từ công nghệ tuabin hơi

- Tuabin khí bắt nguồn từ kỹ thuật động cơ đốt tong
- Tuabin khí từ ngành kỹ thuật hàn không, bao gồm một động cơ phản lực đi
kèm với một tuabin phát điện
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 23
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
3.1.2 Các phần tử chính của thiết bị tuabin khí
Các phần tử chính của tuabin khí gồm: máy nén, buồng đốt, tuabin khí, và bộ trao
đổi nhiệt.
1) Máy nén
Dùng để nén môi chất làm việc (thường là không khí) và nhiên liệu. Người ta
thường dùng máy nén ly tâm hoặc dọc trục để nén môi chất làm việc, để nén nhiên
liệu khí có nhiệt trị 30.10
6
Jm
-3
trở lên phải chọn loại máy nén có thể tích tổn thất
khoảng 3% thể tích môi chất làm việc. Như vậy loại máy nén thích hợp chỉ có thể
dùng là máy nén piston hoặc ly tâm có số vòng quay rất lớn
Những yêu cầu kỹ thuật đối với máy nén dùng để nén môi chất làm việc:
- Hiệu suất cao (η)
- độ nén từng cấp cao
- Có thể sử dụng tốc độ vòng quay lớn
- Vận hành ổn định trong khoảng làm việc của tuabin
- Dễ điều khiển về mặt khí động học và cơ học
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 24
Đồ Án Tốt Nghiệp: Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp
2) Buồng đốt
Trong buồng đốt năng lượng liên kết hoá học được giải phóng vào không khí

được hoà trộn đều đi vào tuabin khí sinh công như dòng khí truyền động
Quá trình cháy trong buồng đốt có hiệu suất cao nhất với hệ số không khí khoảng
từ α=1,3-2,2
• Quá trình làm việc của buồng đốt
Quá trình làm việc của buồng đốt được xác định bởi cấu trúc buồng đốt và bởi
những tình trạng vận hành. Quá trình làm việc của buồng đốt bao gồm quá trình đốt
cháy nhiên liệu, quá trình hoà trộn sản phẩm cháy với không khí, các điều kiện làm
mát ống lửa, các điều kiện khi phụ tải thay đổi và khi mở máy.
3) Tuabin khí
Năng lượng nhiệt của sản phẩm cháy được biến đổi thành cơ năng trong tuabin
khí. một phần lớn hơn công suất tuabin được dung để truyền động máy nén khí, một
phần nhỏ hơn con lại của công suất là công suất hữu ích cung cấp cho các máy móc
hoạt động ( máy phát điện, bơm, quạt thổi khí…). Công suất tuabin gấp khoảng 2-3
lần công suất hữu ích.
• Những yêu cầu kỹ thuật đối với tuabin khí:
Công suất củng như đặc tính của tuabin có ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính toàn
tổ máy. Để toàn bộ tổ máy tuabin khí làm việc đạt hiệu suất cao thì cần thiết đáp ứng
một số yêu cầu kỹ thuật quan trọng sau đối với tuabin:
- Hiệu suất chuyển đổi năng lượng trong tuabin phải cao
- Cánh quạt của tuabin làm việc với nhiệt giáng lớn phải ở tốc độ vòng cao
- Phải đảm bảo các yêu cầu về khí động học và cơ học khi gia công các thiết bị
hợp chịu nhiệt khim khó gia công
SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh
GVHD: TS Trần Thanh Sơn Trang 25