Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường biển việt nam và nhiên liệu đến hiệu suất làm việc của động cơ tuabin khí micor tuabine trên giàn TOPAZ mỏ ruby lô dầu khí 01 và 02 (chuyên ngành khai thác và bào trì t

1

Mục lục
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................3
1

Sự cần thiết của việc sử dụng Tuabin Khí ........................................................3

2

Tổng quan về sự phát triển và những cải tiến kỹ thuật của Tuabin khí trên thế
giới....................................................................................................................3

3

Mục đích của đề tài ...........................................................................................5

4

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ....................................................6
4.1

Đối tượng nghiên cứu.................................................................................6

4.2

Phạm vi nghiên cứu của đề tài ...................................................................6

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TUABIN KHÍ VÀ TUABIN MINI ............................7
1.1 Ứng dụng của Turbine khí ................................................................................7
1.2 Sự phát triển của Turbine mini .........................................................................8

1.3 Giới hạn cho sự hoạt động và phát triển Turbine khí .......................................8
1.3.1 Giới hạn về mặt cơ khí ...............................................................................8
1.3.2 Giới hạn về nhiệt độ hoạt động ..................................................................9
1.3.3 Giới hạn của bộ phận buồng đốt ................................................................9
1.3.4 Chất lượng hoạt động của các thiết bị ......................................................10
Chương 2 CƠ SỞ KHOA HỌC CHO SỰ PHÁT TRIỂN CỦA TUABIN KHÍ ..13
2.1 Cơ sở lý thuyết cơ bản về tuabin khí ..............................................................13
2.1.1 Đặc điểm của tuabin khí ...........................................................................13
2.1.2 Chu trình Brayton .....................................................................................13
2.1.3 Hiệu suất nhiệt của chu trình Brayton ......................................................15
2.2 Đặc điểm hiệu suất của Tuabin và máy nén ...................................................17
2.2.1 Hiệu suất Tuabin ......................................................................................17
2.2.2 Hiệu suất máy nén ....................................................................................18
2.3 Các phương pháp nâng cao hiệu suất trong tuabin khí ...................................19
2.3.1 Tận dụng nhiệt khí thải của động cơ Tuabine khí ....................................19
2.3.2 Áp dụng các chu trình phức tạp ...............................................................20
2.3.3 Chu trình kết hợp tuabin khí với tuabin hơi .............................................21
2.4 Ảnh hưởng điều kiện khai thác đến hiệu suất tuabin khí ................................22
2.4.1 Ảnh hưởng của môi trường đến hoạt động tuabin khí .............................22
2.4.2 Ảnh hưởng nhiên liệu đến hiệu suất tuabin khí .......................................24
Chương 3 CẤU TẠO CỦA TUABIN KHÍ MINI LOẠI TA-100 ............................25
3.1 Giới thiệu chung..............................................................................................25

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


2

3.2 Bộ phận máy nén ............................................................................................25
3.3 Bộ phận tuabin ................................................................................................28

3.4 Buồng đốt ........................................................................................................30
3.5 Cấu tạo ổ đỡ và seal làm kín ...........................................................................33
3.6 Vật liệu cấu tạo ...............................................................................................35
3.7 Nhiên liệu sử dụng ..........................................................................................37
3.8 Thiết bị thu hồi nhiệt .......................................................................................42
Chương 4 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ MÔI TRƯỜNG VÀ
NHIÊN LIỆU ĐẾN HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA TUABIN KHÍ TA-100 LẮP
TRÊN GIÀN KHAI THÁC TOPAZ ........................................................................43
4.1 Tính nghiệm nhiệt của tuabin khí TA-100 ở điều kiện tiêu chuẩn. ................43
4.1.1 Chọn các thông số ban đầu.......................................................................44
4.1.2 Các thông số của tuabin khí tại các điểm đặc trưng.................................45
4.1.3 Các thông số đặc trưng của quá trình .......................................................52
4.2 Ảnh hưởng của điều kiện môi trường ngoài khơi Việt Nam đến hiệu suất hoạt
động của Tuabin Mini hiệu TA-100 lắp trên dàn khoan Topaz .....................53
4.2.1 Điều kiện môi trường khai thác................................................................53
4.2.2 Ảnh hưởng độ ẩm không khí đến hoạt động của tuabin khí TA-100 ......53
4.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí đến hoạt động của tuabin khí ..........55
4.3 Ảnh hưởng của nhiên liệu đến hiệu suất làm việc của Tuabin khí –
Microturbine ...................................................................................................56
4.3.1 Đặc tính của khí sử dụng trên giàn khoan Topaz .....................................56
4.3.2 Nhiệt lượng cấp cho tuabin khí TA-100 ..................................................57
4.3.3 Nhiệt độ sau khi cấp nhiệt ........................................................................57
4.3.4 Công sinh ra của tuabin ............................................................................57
4.3.5 Công sinh ra của chu trình .......................................................................57
4.3.6 Hiệu suất nhiệt của chu trình ....................................................................57
4.4 Mô phỏng quá trình ảnh hưởng của điều kiện khai thác đến hoạt động của
tuabin khí ........................................................................................................58
4.4.1 Giới thiệu chương trình ............................................................................58
4.4.2 Quá trình làm việc ....................................................................................59
4.4.3 Kết quả làm việc.......................................................................................60

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................68
Kết luận .................................................................................................................68
Kiến nghị ...............................................................................................................68

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


3

MỞ ĐẦU
1

Sự cần thiết của việc sử dụng Tuabin Khí
Động cơ tua bin khí với khối lượng và kích thước nhỏ gọn so với các loại

động cơ cùng công suất khác, có tính cơ động cao, công suất lớn hiện đang được
ứng dụng rộng rãi trong các trạm phát điện tĩnh tại ở các nhà máy lọc dầu và giàn
khoan dầu và trên các phương tiện giao thông vận tải. Từ khi xuất hiện cho đến nay,
động cơ tua bin khí đã khẳng định được tính ưu việt của mình ngày càng được sử
dụng rộng rãi.
Xu hướng tận dụng nguồn năng lượng khí gas thay thế cho nhiên liệu lỏng
trong tuabin khí nhằm giảm ô nhiểm môi trường (chủ yếu là giảm NOx và CO2).
Tuy nhiên cho đến nay, việc sử dụng và khai thác hệ động lực tua bin khí
vẫn là một vấn đề mới mẻ ở Việt Nam.
2

Tổng quan về sự phát triển và những cải tiến kỹ thuật của Tuabin khí
trên thế giới
Vào đầu năm 1791, sự sáng tạo về tuabin hơi của John Barber sử dụng cho

khí gas và lỏng đuợc xem là nguồn năng luợng tiềm tàng cho sự phát triển sau này.
“Sự phát minh của John Barber đuợc xem như là Turbine khí sử dụng khí từ than
đốt, đuợc hòa trộn với không khí, nén lại và đốt. Hỗn hợp này sinh ra một lực nay
lớn tác động vào cánh turbine” – theo như ý tuởng của John Barber, hay như lực
đẩy Turbine hơi của Giovanni Branca vào năm 1629, hay nhà máy khói – “smoke
mill” của Leonardo De Vinci vào năm 1550.
Năm

Nguời phát minh

Phát minh

130BC

Hero of Alexandria

Phản ứng của Turbine hơi

1550

Leonardo da Vinci, Italy

Nhà máy khói (Smoke Mill)

1629

Giovanni Branca, Italy

Turbine hơi xung lực (Impulse Steam

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


4

Turbine)
1791

John Barber, England

Turbine hơi và Turbine khí

1831

William Avery, USA

Turbine hơi

1837

M. Bresson

Turbine hơi

1850

Fernimough, England

Turbine khí

1873

Dr. Stolze, Germany

Turbine khí

1884

Charles A. Parsons

Phản ứng của Turbine hơi và khí

1888

Charles G.P. de Laval

Turbine hơi xung lực kiểu Branca

1894

Armengaud+Lemale,

Turbine khí

Gas Turbine
1895

George Westinghouse

Turbine hơi thẳng

1896

A.C. Rateau, France

Turbine hơi đa xung

1896

Charles Curtis

Turbine hơi phức hợp vận tốc/ Turbine khí

1895

Dr. Zoelly, Switzerland

Turbine hơi đa xung

1900

F. Stolze, Germany

Trục máy nén & và turbine của turbine khí

1901

Charles Lemale

Turbine khí

1902

Stanford A. Moss, USA

Turbine tăng áp/ Turbine khí

1903

A. Elling

Turbine khí

1903

Armengaud+Lemale

Turbine khí

1905

Brown Boveri

Turbine khí

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


5

1908

Karavodine

Turbine khí với DeLaval Turbine hơi

1908

Holzwarth

Turbine khí với máy nén của Curtis +
Rateau

1930

Frank Whittle, England

1938

Brown

Turbine khí phản lực (Jet engine)

Boveri— Sản phẩm đầu tiên cho Turbine và máy nén

Neuchatel, Switzerland

đứng

Sự phát triển gần nay của Turbine khí đã phát triển 3 yếu tố quan trọng:

− Trình độ tiến bộ của luyện kim để tạo ra kim loại chịu nhiệt tốt trong điều
kiện buồng đốt và các bộ phận khác.
− Sự tích lũy nền tảng nghiên cứu cho động lực học và nhiệt động lực học.
− Sự tận dụng kỹ thuật công nghệ thông tin trong thiết kế và mô phỏng cánh
turbine, buồng đốt và cả quá trình làm mát cánh turbine.
Kết hợp các yếu tố trên để có đuợc những tiến bộ trong thiết kế bộ phận nén
(tăng tỉ số nén), thiết kế buồng đốt (thiết bị tái sinh, giảm hàm luợng NOx), thiết kế
turbine (cánh rời, phương pháp làm mát) và hiệu suất của cả hệ thống. Turbine khí
thì sử dụng nhiều lọai nhiên liệu từ lỏng đến khí và có trị số gia nhiệt BTU thấp
(Britist Thermal Unit), và nay đã sử dụng đuợc cho than và gỗ. Đây là sự phát triển
quan trọng vì than là nguồn năng lượng rất lớn nhất là ở nước Mỹ. Một yếu tố khác
cho sự phát triển của Turbine khí là đơn giản hóa sự vận hành turbine khí bằng điều
khiển tự động thông qua máy tính. Máy tính không chỉ Bật/Tắt và điều khiển
Turbine khí mọi thời điểm mà còn thông báo tình trạng kỹ thuật của cả hệ thống
(diagnostics) và đưa ra dự báo hư hỏng sắp tới (prognostics).
Mục đích của đề tài

3

− Tuabin khí được đưa vào sản xuất và khai thác từ nhiều năm trước ở nhiều
quốc gia phát triển trên thế giới nhưng vẫn còn ít được phổ biến và áp dụng ở Việt
Nam.

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


6

− Để đánh giá hiệu suất hoạt động của bộ 3 Microtuabine TA-100 trên giàn
khai thác Topaz, từ đó đưa ra định mức khai thác điện năng để phù hợp với mức

tiêu thụ trên giàn.
4

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

4.1

Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là 03 Tuabin khí mini với ký hiệu TA100

nhằm cấp điện tiêu thụ toàn phần cho giàn khai thác Topaz thuộc mỏ Ruby – lô dầu
khí 01&02 ngoài khơi Việt Nam (khu vực gần đảo Phú Quý - tỉnh Bình Thuận).
Ba thiết bị trên được thiết kế và sản xuất bởi hãng Calnetix, hiện được đăng
ký độc quyền bởi hãng Capstone với mẫu TA-100, số máy J12848, J12865, J12759
tương ứng với tên gọi tương ứng trên giàn Topaz là MTG-7700, MTG-7710, MTG7720.
4.2

Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường biển Việt Nam và nhiên liệu

công tác đến hiệu suất hoạt động của tuabin khí lắp trên giàn khai thác Topaz.

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


7

Chương 1 TỔNG
1.1

QUAN VỀ TUABIN KHÍ VÀ TUABIN MINI

Ứng dụng của Turbine khí
Turbine khí đuợc ứng dụng cơ bản cho công nghiệp hàng không và trên mặt

đất (trên đất liền và trên biển). Tuabin khí sử dụng cho công nghiệp hàng không và
công nghiệp dân dụng có rất nhiều điểm tương đồng nhưng có nhiều thay đổi theo
thời gian để có phù hợp với đặc điểm chuyên dụng như trong sản xuất điện năng,
bơm hoặc lai máy nén hoặc các động cơ của máy bay phản lực. Sự khác biệt thì
không nhất thiết luôn cần xem xét khi lựa chọn động cơ. Thống kê cho thấy có rất ít
khác biệt giữa các loại Tuabin khí, nhưng với công suất từ 20,000 BHP trở lên thì
sự khác biệt trong thiết kế phần cứng là rất lớn. Tuabin khí có chu trình đơn được
phân loại theo 5 nhóm sau:
− Tuabin khí công suất lớn dạng khung kết cấu (Frame Type Heavy-Duty Gas
Turbine): là các hệ thống có công suất phát điện từ 3MW ÷ 480MW với một
chu trình sinh công đơn giản và hiệu suất khoảng 30 ÷ 46%.
− Tuabin khí sử dụng trong ngành hàng không (Aircraft-Derivative Gas
Turbines Aeroderivative): như tên gọi, đó là những cỗ máy phát điện chuyển
đổi để phục vụ cho các máy bay trên mặt đất. Những động cơ này đã được
lược bỏ cánh quạt phụ và lắp vào đó tuabin ở cửa xả. Những động cơ này có
công suất từ 2,5 MW ÷ 50 MW với hiệu suất vào khoảng 35 ÷ 45%.
− Tuabin khí dùng trong công nghiệp (Industrial Type Gas Turbines): có công
suất thay đổi từ 2,5 ÷ 15 MW. Loại tuabin này được sử dụng nhiều ở các nhà
máy lọc dầu. Hiệu suất thì thấp hơn 30%.
− Tuabin khí cỡ nhỏ (Small Gas Turbine): những loại Tuabin khí này có công
suất khoảng 0,5 ÷ 2,5 MW, và thường có loại máy nén ly tâm và tuabin
hướng tâm có hiệu suất đối với chu trình đơn giản dao động khoảng 15 ÷
25%.

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014

8

− Tuabin khí cỡ mini (Microturbine): các loại tuabin này có công suất dao
động từ 20 ÷ 350 kW. Sự phát triển nhanh chóng của loại tuabin này khỏang
từ năm 1990 khi có sự phát triển đột biến của thị trường năng lượng.
1.2

Sự phát triển của Turbine mini
Các động cơ có công suất nhỏ hơn 350 kW thì được xem như là tuabin mini.

Các động cơ này thường sử dụng nhiên liệu là dầu diesel hoặc khí gas tự nhiên và
sử dụng kỹ thuật đã phát triển sẵn có. Các loại Tuabin Mini (Microturbine) có thể là
loại động cơ hướng kính (axial flow) hoặc ly tâm- hướng tâm (centrifugal-radial
inflow). Chi phí ban đầu, hiệu suất, và khí thải sẽ là 3 yếu tố lựa chọn hàng đầu khi
thiết kế.
Các microturbine sẽ thành công nếu có kích thước nhỏ gọn, chi phí sản xuất
thấp, hiệu suất cao, độ ồn vận hành thấp, khởi động nhanh, và lượng khí thải có
hàm lượng thấp. Nếu đạt được các yếu tố này sẽ giúp cho Tuabin Mini được đánh
giá cao trong việc cung cấp năng lượng tới một chuỗi các khách hàng tiềm năng.
Các Tuabin Mini sẽ là động cơ bao gồm các kỹ thuật đã phát triển.
Các Tuabin Mini trên thị trường hiện nay có dải công suất khỏang 20 ÷ 350
kW, sử dụng tuabin hướng tâm và máy nén. Để nâng cao hiệu suất nhiệt thiết bị tái
hồi năng lượng được thiết kế sử dụng trong microturbine, và kết hợp với bộ phận
làm mát hấp thụ, hay các tải nhiệt hiệu suất cao khác được trưng dụng.
1.3

Giới hạn cho sự hoạt động và phát triển Turbine khí

1.3.1 Giới hạn về mặt cơ khí
Khi các động cơ dần tăng hiệu suất và kích cỡ, có rất nhiều khó khăn trong
thiết kế vật liệu do sự tăng tải lên các thành phần thiết bị. Các nhà sản xuất đã
hướng tới việc lắp đặt giảm thiểu ổ đỡ rotor, tăng hiệu suất lên các rotor và phụ
kiện, điều này đã dẫn đến vấn đề nứt do ứng suất, sự chà xát và vặn xoắn. Những
vấn đề này dẫn đến các hư hỏng và tốn nhiều thời gian ngừng thiết bị để sửa chữa
hơn.

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


9

Trong tất cả các trường hợp thì đã có sự thay đổi về thiết kế và chỉnh sửa bù
cho sự thiếu sót nhưng vẫn dẫn đến việc ngưng lâu thiết bị, tăng cường sự kiểm tra
và làm giảm công suất.
Minh chứng điển hình là một hư hỏng lớn ở nhà máy năng lượng ở Mỹ vào
năm 1995 khi một cánh của một tuabin có lỗi hư hỏng. Tầng cánh phía trong tuabin
bị bung ra dẫn đến sự mất cân bằng và phá hủy động cơ. Những thiết bị phụ xung
quanh cũng hư hỏng làm cho thiệt hại lên đến 42 triệu USD và thời gian ngưng trệ
sản xuất thiệt hại 11 triệu USD. Một thiệt hại khác cũng ở Mỹ vào năm 2000 tại một
nhà máy do nứt khung máy nén. Vết nứt dẫn đến hư hỏng lớp vỏ và làm phá hủy
hoàn toàn động cơ.
1.3.2 Giới hạn về nhiệt độ hoạt động
Tác động của việc nhiệt độ đánh lửa sẽ dẫn đến nhu cầu sử dụng hợp kim tốt
nhất, lớp bảo vệ nhiệt, và kỹ thuật làm mát. Các nhà sản xuất đã tính đến các vấn đề
liên quan đến những kỹ thuật này từ phạm vi hư hỏng của lớp bảo vệ cách nhiệt và
những thiết bị đi kèm đến cánh tản nhiệt không đạt hiệu suất tốt dẫn đến ứng suất
nhiệt. Những lỗi này đã đuợc thiết kế lại và nâng cấp ở nhiều thiết bị.
Đã có nhiều trường hợp hư hỏng lớp bảo vệ nhiệt trên toàn thế giới và có lẽ

trường hợp nghiêm trọng nhất là ở Chile 1998. Đó là trường hợp miếng bảo vệ cách
nhiệt bong ra và cùng với sản phẩm cháy đi qua phần turbine. Miếng lót bị kẹt giữa
bộ phận hút đầu vào làm tắc nghẽn làm tăng áp suất đầu vào, rồi bất ngờ bắn vào
phần turbine làm hư hỏng toàn bộ phần rotor. Chi phí sửa chửa lên đến 2.3 tỉ USD
và làm ngừng trệ thời gian sản xuất của nhà máy trong thời gian dài.
1.3.3 Giới hạn của bộ phận buồng đốt
Với xu hướng làm giảm lượng khí xả, tất cả các turbine gas đều có đặc điểm
thải lượng NOx thấp hay loại bộ phận đốt thải khí xả thấp. Những điều này cho thấy
bộ phận đốt mới đã có sự cải tiến bởi nhà sản xuất nhằm tách xa với mức điều khiển
khí xả truyền thống mắc tiền bằng hơi và phun nuớc.

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


10

Vài nhà sản xuất hàng đầu đã thấy đuợc những sự cố ở buồng đốt, hay hiện
tượng cháy mạnh. Đó là sự rung động phát ra âm thanh lớn do ngọn lửa không ổn
định trong khu vực cháy của buồng đốt. Do sự cháy mạnh trong buồng đốt (Burner
Humming) không phải là triệu chứng thông thường, mà có thể dẫn đến những phá
hủy lớn do kết quả của sự rung động quá mức. Nhiều cải tiến đuợc thực hiện nhưng
lỗi này vẫn chưa thực sự hết ở vài thiết bị và vẫn còn là đề tài nghiên cứu.
Tại nhiều nhà máy ở Mỹ, Canada và Nam Mỹ, có nhiều sự cố nghiêm trọng
do kết quả của sự nứt trong phần chuyển tiếp ở buồng đốt, cũng là nguyên nhân tạo
nên rung động khi có sự cháy mạnh trong buồng đốt. Những vết nứt này dẫn đến
tình trạng tách rời các phần trong phần chuyển tiếp, và sau đó đi vào cùng sản phẩm
cháy đi qua phần turbine gây hậu quả nghiêm trọng. Sửa chửa phát sinh từ 100,000
USD đến 1,000,000 USD tùy thuộc vào mức độ nghiêm trọng hư hỏng, vật tư có
sẵn và thời gian ngưng trệ của nhà máy.
1.3.4 Chất lượng hoạt động của các thiết bị

1.3.4.1Vấn đề về quy trình vận hành thiết bị
Vận hành đúng các thiết bị này là một vấn đề quan trọng. Đã có nhiều sự cố
xảy ra bởi quy trình vận hành kém dẫn đến lỗi kết nối thiết bị và những buớc quan
trọng bị bỏ qua. Van khí làm mát bị để ở trạng thái không đúng sau các họat động
bảo trì, hệ thống bôi trơn bị tách rời khỏi họat động trước khi khởi động và buớc
kiểm tra trước khi khởi động được thực hiện không đúng. Tất cả những vấn đề này
tưởng chừng rất nhỏ, nhưng chỉ cần 1 khoảng thời gian ngắn chạy 1 turbine với tốc
độ cao mà có ít hoặc không bôi trơn thì sự phá hủy bề mặt ổ đỡ và sự quá nhiệt của
các thiết bị là khó luờng trước. Sự liên kết bên trong turbine gas rất mỏng manh so
với tốc độ hoạt động của nó. Tình trạng sạch sẽ là cần thiết nhằm hạn chế hư hỏng
cho phần cánh, phần đốt và các phần bên trong, một vật lạ nhỏ cũng có thể gây ra
một thảm họa lớn.
Một dẫn chứng cho sự cố gây ra bởi mảnh vụn đi vào turbine qua đuờng
không khí vào năm 1998 ở nhà máy điện ở Đức. Khói bụi bê-tông trong không khí
đã đi vào nhà máy turbine khí và bị mắc nghẽn ở hệ thống cánh tản nhiệt. Các cánh

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


11

này được làm mát bằng những đuờng làm mát nhỏ bên trong nhưng đã nhanh chóng
bị nghẹt bới bụi bêtông. Do ở nhiệt độ khu vực vận hàng cao nên phần bụi này bị
nung kết lại làm tắc nghẽn hoàn toàn đường gió làm mát và dẫn đến thiếu gió làm
mát. Các cánh họat động lúc đó bị quá nhiệt gây đến hư hỏng nghiêm trọng cho
phần turbine.
Chất lượng nhiên liệu cũng không kém quan trọng khi những thành phần hóa
học có thể tạo chất kết dính, ăn mòn và xói mòn các phần bên trong động cơ. Sự
dao động về chất và lượng cấp nhiên liệu có thể gây ra những rung động trong
buồng đốt và ở turbine dẫn đấn những hư hỏng cơ học ở đều kiện nhiệt độ cao và

các tác động khác. Những tinh thể nhỏ trong nhiên liệu có thể gây ra tác động như
sự bắn cát vào bề mặt cánh turbine hoặc có thể là tạp chất hoặc dính vào bề mặt
cánh làm dày thêm và gây mất cân bằng. Một minh chứng của việc mảnh vụn trong
nhiên liệu gây hư hỏng khi dầu nhiên liệu gây cháy turbine gas ở nước Cộng Hòa
Dominican. Một bơm nhiên liệu bị hỏng và khi đã lắp đặt 1 bơm thay thế, nhân viên
bảo trì đã không vệ sinh sạch sẽ mảnh vụn kim loại ở seal làm kín và để nguyên
trong đường ống nhiên liệu họat động. Khi cần khởi động hệ thống, phần kim loại lạ
theo nhiên liệu vào buồng đốt gây ra tắc nghẽn cục bộ và làm cho không thể khởi
động được. Nhiều lần cố gắng khởi động thiết bị sẽ gây cháy bên trong làm phá hủy
hoàn toàn turbine và thiết bị xung quanh. Hi vọng tất cả những nhà vận hành, đặc
biệt những ai đã bị ảnh hưởng bởi các sự cố như vậy sẽ rút kinh nghiệm và tuân thủ
nghiêm ngặt các quy định vận hành. Tuy nhiên, lỗi của con người luôn có và sẽ khó
để loại trừ hết toàn bộ.
1.3.4.2Vấn đề về bảo dưỡng thiết bị
Không quản lý chặt chẽ các họat động bảo trì cũng có thể dẫn đến các rủi ro.
Bulong có thể bị để ở tình trạng lỏng (không siết chặt), thiết bị cầm tay có thể bị bỏ
quên trong động cơ chính và phụ mà không có hành động khắc phục ngay. Mảnh
vụn kim loại và vật thể lạ bị để lại sau hoạt động bảo trì, hay các phần thiết bị bị để
ở tình trạng lỏng, làm sai lệch họat động của động cơ. Trong vài trường hợp nghiêm
trọng, khi vật thể đi vào turbine gây thiệt hại to lớn vì chúng đi qua phần cánh
turbine/ máy nén sẽ phá hủy toàn bộ phần này.

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


12

Việc sử dụng đúng thiết bị và vật tư theo thiết kế là rất quan trọng trong khi
bảo trì và cần tuân thủ đúng theo hướng dẫn của nhà sản xuất.
Năm 1997, một động cơ turbine gas được lắp lại cánh turbine đuợc phục hồi

và được đưa vào sản xuất. Nhà sản xuất đã khuyến cáo cánh turbine phục chế có
giới hạn họat động như người vận hành lại cho động cơ hoạt động ở nguỡng giới
hạn. Các cánh đã gãy do giới hạn mỏi cơ học dẫn đến sự phá hủy hoàn toàn động
cơ.

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


13

Chương 2

CƠ SỞ KHOA HỌC CHO SỰ PHÁT TRIỂN CỦA
TUABIN KHÍ

2.1

Cơ sở lý thuyết cơ bản về tuabin khí

2.1.1 Đặc điểm của tuabin khí
Động cơ rotor: trong động cơ này các khối công năng chính là máy nén và
tuabin chỉ có chuyển động quay một chiều, khác với động cơ piston có khối công
năng chính là piston của xi lanh chuyển động tịnh tiến.
Động cơ loại hở (tuyến khí hở): không khí từ lối vào của máy nén qua buồng
đốt và ra khỏi tuabin đều chảy qua khoảng không gian hở không có vùng không
gian bị đóng kín (ví dụ như ở động cơ piston: không khí sinh công trong xi lanh là
vùng không gian kín ngăn cách với bên ngoài bằng các van xu páp). Vì tính chất hở
như vậy đảm bảo cho quá trình cháy trong buồng đốt là quá trình cháy đẳng áp (áp
suất giữ nguyên) nếu cháy trong không gian kín quá trình cháy sẽ làm tăng áp suất
không khí làm áp suất trong buồng đốt cao hơn áp suất tại máy nén, không khí bị

gia nhiệt có thể thổi ngược lại máy nén.
Động cơ quá trình liên tục: chu trình nhiệt động lực học của động cơ tuabin
khí là chu trình Brayton. Về cơ bản, nó giống với chu trình của động cơ piston cũng
có các chu trình hút – nén – gia nhiệt (đốt) – giãn nở. Nhưng ở động cơ piston tất cả
các giai đoạn đó diễn ra tại cùng một bộ phận (tại xi lanh động cơ) nhưng ở các thời
điểm khác nhau, luân phiên theo quá trình hút, nén, nổ, xả, quá trình như vậy là quá
trình gián đoạn. Còn tại động cơ tuabin khí các quá trình này diễn ra liên tục nhưng
tại các bộ phận khác nhau: tại máy nén quá trình nén liên tục, tại buồng đốt liên tục
quá trình gia nhiệt, và tại tuabin liên tục quá trình giãn nở sinh công, chính yếu tố
này quyết định tính công suất cao của loại động cơ này.
2.1.2 Chu trình Brayton
Không khí ở điều kiện khí quyển được hút vào máy nén để làm tăng áp suất
và nhiệt độ. Không khí sau khi nén được đưa vào buồng đốt để cháy cùng nhiên liệu
ở một áp suất duy trì. Khí gas ở nhiệt độ cao đi vào tuabin giãn nở đoạn nhiệt đến

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


14

áp suất khí quyển và sinh công. Khí xả ra khỏi tuabin được loại bỏ hoàn toàn
(không tái sinh) nên tạo ra một chu trình hở.
Buồng đốt
2

Nhiên liệu

3
Tuabin

Máy nén
1

4
Khí xả

Khí tươi

Hình 2.1: Sơ đồ chu trình hở của tuabin khí
1-2: Quá trình nén đoạn nhiệt trong máy nén
2-3: Quá trình cháy đẳng áp trong buồng đốt
3-4: Quá trình giãn nở đoạn nhiệt trong tuabin
4-1: Quá trình xả khí đẳng áp ra môi trường
Chu trình Brayton lý tưởng cho động cơ tuabin gas là chất lỏng làm việc lưu
thông trong một chu trình kín. Đó là quá trình cháy và xả được chỉnh sửa lại bằng
cách thêm và bớt để áp suất và nhiệt độ ổn định, hình thành 4 quá trình ở chu trình
Brayton lý tưởng:
Bầu hồi nhiệt
3

6

Buồng đốt
2

Máy nén

Nhiên liệu

5

4
Tuabin

1

Hình 2.2: Chu trình kín lý tưởng Brayton

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


15

T

3

P

Nhiệt cấp

3

Nhiệt cấp

2

4
2
Nhiệt thải

4

1

1

Nhiệt thải

S

V

Hình 2.3: Sơ đồ nhiệt động của chu trình Brayton
Sau khi khí vào cửa hút qua máy nén, ta xem quá trình nén thực hiện thuộc
đẳng entropy, nên s1 = s2 ở điểm 1 và 2. Khí được gia nhiệt ở buồng đốt ở điểm 3 ở
điều kiện đẳng áp, nên p2 = p3. Sau cùng là khí giãn nở trong tuabin ở điểm 4 ở quá
trình đẳng nhiệt, nên s3 = s4.
Nhiệt độ cao nhất của chu trình xảy ra ở cuối quá trình cháy (giai đoạn 3), và
nó bị giới hạn do khả năng chịu nhiệt của cánh tuabin. Nhiệt độ tối thiểu được thay
đổi bởi nhiệt độ không khí đầu vào, và sự thay đổi trên tỉ số áp suất cũng thay đối
hiệu suất ra của chu trình. Điều này cũng giới hạn tỉ số áp suất có thể trong chu
trình.
Khi xét đến chu trình tuabin gas thì có vài điểm cần lưu ý: ta cho rằng chất
lỏng làm việc là khí gas hoàn hảo với nhiệt trị duy trì cp và cv, và tỉ số nhiệt trị k là
không đổi. Và cũng xem như tịnh năng và động năng không thay đổi ở tuabin khí,
cuối cùng là các mất mát cơ học hay áp suất được xem như là không có.
2.1.3 Hiệu suất nhiệt của chu trình Brayton
Chu trình Brayton gồm hai quá trình đẳng áp và hai quá trình đoạn nhiệt xen
kẽ nhau. Từ đồ thị 2.3 ta có các mối quan hệ sau:

Công tiêu hao của máy nén ly tâm

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


16

W =m i −i

kW

(2-1)

Công sinh ra của tuabin khí
W = m +m

i −i

kW

(2-2)

Trong đó:
− m : khối lượng không khí (kg/s)
− m : khối lượng nhiên liệu (kg/s)
− i : entanpi của không khí tươi vào máy nén (kJ/kg)
− i : entanpi của không khí ra khỏi máy nén (kJ/kg)
− i : entanpi của hỗn hợp cháy vào tuabin khí (kJ/kg)
− i : entanpi của hỗn hợp cháy ra khỏi tuabin khí (kJ/kg)
Công suất sinh ra của chu trình

W

=W −W = m +m

i −i

−m i −i

kW

(2-3)

Lượng nhiệt cấp vào chu trình
Q

= m . LHV

= m + m .i − m .i

kW

(2-4)

Trong đó:
− Q : nhiệt lượng cấp vào chu trình (kW)
− LHV

: nhiệt trị thấp của nhiên liệu (kJ/kg)

Vậy chu trình Brayton được xác định

η

,

!"

=

W
Q

(2-5)

Ngoài ra, từ đồ thị P-V và T-S của chu trình Brayton ta có thể viết hiệu suất
nhiệt của chu trình qua công thức sau:

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


17

η

,

!"

=1−

q

T −T
=1−
q%à!
T −T

(2-6)

Với
+,
+

T
P
=( *
T
P

P
=( *
P

+,
+

=

T
T

(2-7)

Và
r. =

P
P
=
P
P

(2-8)

Thay các số liệu từ phương trình 2-7 và 2-8 vào phương trình 2-6 ta thu được
kết quả sau:
η

,

!"

=1−

1
r.

+,
+

(2-9)

Trong đó:
− r. : tỉ số nén trong chu trình Brayton
− k: hệ số mũ đoạn nhiệt, k =

/0
/1

− c. : nhiệt dung riêng đẳng áp
− c% : nhiệt dung riêng đẳng tích
Từ phương trình 2-9 ta thấy rằng khi tăng tỉ số nén và nhiệt độ buồng đốt
trước khi cấp vào tuabin sẽ làm tăng hiệu suất nhiệt trong chu trình Brayton.
2.2

Đặc điểm hiệu suất của Tuabin và máy nén

2.2.1 Hiệu suất Tuabin
Theo dõi xu hướng hiệu suất tuabin là phương pháp tốt nhất để biết được
tình trạng của động cơ. Tuy nhiên, khi nhiệt độ đầu vào tuabin ngày một cao thì khó

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


18

để theo dõi lâu dài. Thực tế, có nhiều nhà sản xuất xác định nhiệt độ tuabin trung
gian để điều khiển tuabin, khi nhiệt độ tuabin đầu vào được tính như sau:

η =

T+ í 56

T%à!
1 − R8

1−

(2-10)

Trong đó:
−

T+

−

T%à! : nhiệt độ khí vào toàn phần tuabin, 0R

−

R8 : áp suất tuabin vào toàn phần trên áp suất tuabin xả toàn phần

í 56 : nhiệt

độ khí xả toàn phần tuabin, 0R

Hiệu suất tuabin có thể mô tả gần như sau
1
=R
R
Thay giá trị vào công thức (2-10) ta được kết quả sau:
T+ í 56

T%à!
η =
1 8
1−9 :
R
1−

(2-11)

2.2.2 Hiệu suất máy nén
Hiệu suất máy nén (η ) được trực tiếp ứng với tỉ số áp suất máy nén và
nghịch đảo với nhiệt độ xả máy nén. Công thức sau cho thấy rõ hơn định nghĩa máy
nén:
R8 − 1
η =
T;
−1
T<
Với:
σ=

k−1
k

Trong đó:

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


19

Rc: tỉ số nén, Po/Pi
Po: áp suất toàn phần đầu ra, psia
Pi: áp suất toàn phần đầu vào, psia
K: tỉ số nhiệt trị, cp/cv
Cp: nhiệt trị ở áp suất không đổi, Btu/lb 0F
Cv: nhiệt trị ở thể tích không đội, Btu/lb 0F
To: nhiệt độ xả toàn phần máy nén, 0R
Ti: nhiệt độ hút toàn phần máy nén, 0R
2.3

Các phương pháp nâng cao hiệu suất trong tuabin khí
Chu trình thiết bị tuabin khí đơn giản thì hiệu suất nhiệt thấp. Do đó, để nâng

cao hiệu suất cho tuabin khí người ta sử dụng một trong các biện pháp sau:
2.3.1 Tận dụng nhiệt khí thải của động cơ Tuabine khí
Nhiệt độ khí xả sau tuabin luôn cao hơn nhiệt độ không khí sau khi nén. Như
vậy, lượng nhiên liệu có thể giảm đi bằng cách tận dụng nhiệt khí xả để hâm sấy khí
nén sau khi ra khỏi máy nén trước khi vào buồng đốt. Nhờ vậy, nhiệt lượng cần cấp
cho chu trình giảm xuống và nhiệt độ vào tuabin tăng lên sẽ làm cho hiệu suất nhiệt
và công riêng của chu trình tăng lên.
Bầu hồi nhiệt
3

6

Buồng đốt
2

Máy nén

Nhiên liệu

5

4
Tuabin

1

Hình 2.4: Chu trình hồi nhiệt trong tuabin khí

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


20

Hiệu suất hồi nhiệt của chu trình
R=

T −T
T> − T

(2-9)

Trong các tuabin khí thì hiệu suất nhiệt hồi nhiệt có giá trị khoảng từ 0,6 ÷
0,8. Lượng nhiên liệu tiết kiệm được là 22 ÷ 28%. Tuy nhiên, việc bố trí thêm thiết
bị hồi nhiệt kiểu khí – thì làm cho kích thước tuabin lớn, chiếm không gian lắp đặt
và giảm tính linh hoạt khi vận hành. Ngoài ra, phản lực khí trên đường khí nạp và
thải trong tuabin tăng lên nên các loại tuabin sử dụng chu trình hồi nhiệt chỉ phù

hợp cho các tải ít thay đổi và không có nhu cầu khởi động nhanh.
2.3.2 Áp dụng các chu trình phức tạp
Hiệu suất nhiệt tuabin sẽ được cải thiện khi ta sử dụng các chu trình phức tạp
như: Chu trình nén nhiều cấp có làm mát trung gian, chu trình nén nhiều cấp có làm
mát trung gian và hồi nhiệt hoặc chu trình nhiều cấp nén có gia nhiệt.
BĐ 1

NL

T
4

5

5

TB
CA

MN 2

7

6

3

6

NL

LMTG

2
MN 1

1

8

BĐ 2
7
4
2

TB
TA

3

1

S

8

Hình 2.5: Chu trình hở với hai cấp nén có làm mát trung gian
Hình 2.5 biểu hiện chu trình nén nhiều cấp có làm mát trung gian sẽ làm
giảm công nén. Ngoài ra, khi ta cấp nhiệt nhiều lần sẽ làm cho đường giản nở gần
với đường đẳng nhiệt. Như vậy, chu trình sẽ gần với chu trình Brayton và như thế
hiệu suất nhiệt của chu trình sẽ tăng lên.

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


21

2.3.3 Chu trình kết hợp tuabin khí với tuabin hơi
Chu trình thiết bị tuabin khí dùng chất công tác là khí nóng có nhiệt độ cao
(9000C đến 13000C) song hiệu suất khá nhỏ do nhiệt độ khí xả còn lớn. Trong khi
đó, chu trình tuabin hơi tuy nhả nhiệt với mức nhiệt độ thấp gần với nhiệt độ môi
trường nhưng nhiệt độ đầu vào tuabin không cao dẫn đến hiệu suất của tuabin hơi
cũng thấp.
Do vậy, việc kết hợp tuabin khí với tuabin hơi nhằm sử dụng nhiệt thải của
tuabin khí để cấp nhiệt cho chu trình hơi. Từ đó hiệu suất của chu trình sẽ tăng lên.
Một ý nghĩa quan trọng nữa trong chu trình kết hợp này là giúp chúng ta tiết
kiệm được một lượng nhiên liệu, giảm lượng khói thải chứa nhiều thành phần có hại
cho môi trường.
BĐ 1

2

NL

3

MN

TBK

4

1
BH N

5

10
7
BƠ M
TBH
BN
9

8

Hình 2.6: Chu trình kết hợp với khí xả sau tuabin khí vào buồng đốt của nồi hơi
Trong hình 2.6 ta thấy rằng khí xả từ tuabin khí được đưa vào nồi hơi để tận
dụng nhiệt để sinh hơi có thông số thấp và cấp cho tuabin hơi tạo ra một chu trình
ghép thuần túy không cấp nhiên liệu bổ sung cho nồi hơi. Khí nóng truyền qua nước
để sôi và bay hơi thông qua các bề mặt trao đổi nhiệt dạng ống có cánh. Để thu
nhiệt tối đa bằng cách hạ nhiệt độ ra khỏi nồi hơi thấp nhất có thể.

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


22

Ngoài ra, có thể sử dụng chu trình hỗn hợp khí - hơi với nồi hơi tận dụng
nhiệt khí thải có đốt nhiên liệu bổ sung. Khi đó chúng ta có thể cải thiện hiệu suất
của tuabin hơi khi tuabin khí có tải thấp. Tuy nhiên chu trình này đòi hỏi phải lắp
thêm các thiết bị và phải kiểm soát khâu vận hành một cách chặt chẽ.

2.4

Ảnh hưởng điều kiện khai thác đến hiệu suất tuabin khí

2.4.1 Ảnh hưởng của môi trường đến hoạt động tuabin khí
Máy nén trong tuabin khí hút không khí từ môi trường, do vậy hoạt động của
tuabin chịu ảnh hưởng của áp suất, nhiệt độ và độ ẩm môi trường. Khi máy nén làm
việc khác với điều kiện thiết kế sẽ kéo theo sự thay đổi chế độ làm việc của buồng
đốt và tuabin khí; có nghĩa là ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống. Vì các thông số môi
trường là các biến không điều khiển được, nên hiểu rõ tác động của nó đến hiệu suất
của hệ thống có ý nghĩa quan trọng. Từ đó giúp người vận hành có thể thao tác để
nâng cao hiệu suất và an toàn trong quá trình khai thác hệ thống tuabin khí.
2.4.1.1Nhiệt độ môi trường khai thác
Hiệu suất và công suất đơn vị của tuabin khí phụ thuộc rất nhiều vào tỉ số
nhiệt độ
?=

@
@

Mặc khác ta có công thức tính công suất của tuabin khí như sau:
Trong đó:
@ : nhiệt độ môi trường tại cửa hút máy, thay đổi theo thời tiết
@ : nhiệt độ sau buồng đốt và trước khi vào tuabin khí

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


23

T3
T1

const

A2
TA2A
A1
TA1>TA

Hình2.7: Điểm dịch chuyển của máy nén khi môi trường thay đổi
Từ công thức trên và hình 2.7 ta thấy rằng khi nhiệt độ môi trường tăng lên
thì tuabin khí sẽ hấp thụ cùng một thể tích không khí nhưng khối lượng thì giảm
xuống do vậy làm giảm công suất và hiệu suất của chu trình.
2.4.1.2 Áp suất hút máy nén
Biến đổi áp suất hút sẽ làm tăng hay giảm lượng khí công tác vì thể tích
riêng của khí thay đổi trong khi tiết diện chảy vẫn giữ nguyên. Do vậy dẫn đến thay
đổi công suất và hiệu suất của tuabin khí.
Mức độ tăng ở cao độ lắp đặt thiết bị Tuabin cũng ảnh hưởng đến công suất
phát ra của tuabin khí, do cao độ càng tăng thì mật độ không khí càng giảm.
2.4.1.3Độ ẩm của môi trường khai thác
Mức độ hiện hữu của hơi nước cũng làm giảm mật độ không không khí, và
giảm trọng lượng không khí hấp thụ vào tuabin. Yếu tố này cũng có tác động giống
như 2 yếu tố trên, chủ yếu là ảnh hưởng đến lượng không khí hấp thụ.

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


24

Khi nhiệt độ không khí tăng, độ ẩm tuyệt đối tăng lên dẫn đến độ chứa hơi
tăng. Vì thế trong điều kiện khai thác nhiệt độ không khí môi trường cao như Việt
Nam cần tính đến ảnh hưỡng của độ ẩm đến sự làm việc của tuabin.
2.4.2 Ảnh hưởng nhiên liệu đến hiệu suất tuabin khí
Trong tuabin khí nhiên liệu chính là gas trong đó thành phần chính là metan
(CH4). Thành phần nhiên liệu, nhiệt độ ảnh hưởng đến hiệu suất của chu trình cụ
thể như sau:
2.4.2.1Nhiệt trị của nhiên liệu
Nhiệt trị nhiên liệu là yếu tố quan tâm hàng đầu của nhiêu liệu khí gas. Nhiệt
trị trong nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc và hiệu suất của
tuabin khí. Khí gas nhiên liệu có thể dao động từ 1100 Btu/ft3 (41,000 KJ/m3) cho
khí gas tự nhiên và mức 11,184 KJ/m3 hoặc thấp hơn cho khí gas qua chế biến.
2.4.2.2Độ sạch của nhiên liệu
Độ sạch của nhiên liệu cũng được quan tâm vì nhiên liệu bẩn sẽ dẫn đến sự
xuống cấp thành phần hóa học và vật lý của nhiên liệu dẫn đến các hư hỏng như do
ăn mòn bề mặt các chi tiết bên trong của tuabin khí.

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014


25

Chương 3
3.1

CẤU TẠO CỦA TUABIN KHÍ MINI LOẠI TA-100

Giới thiệu chung

8
4

3

9

2

5

Nhiên liệu

7

6

1

Hình 3.1

Sơ đồ nguyên lý hệ thống của tuabin khí TA100

1. Đường khí vào

6. Tuabin khí

2. Máy nén khí

7. Khí xả ra khỏi tuabin

3. Không khí sau khi nén

8. Khí xả ra ngoài trời

4. Bộ sấy không khí

9. Máy phát điện

5. Buồng đốt

3.2

Bộ phận máy nén
Phần máy nén tạo ra luợng không khí lớn và áp suất cao mà khi được gia

nhiệt và giản nở qua phần tuabin, nó tạo ra công cung cấp đủ cho hệ thống (dẫn
động cơ khí, dẫn động máy phát…). Khả năng hoạt động máy nén thường được
biểu thị qua tỉ số áp suất tạo được trên lượng không khí. Sẽ chính xác hơn khi đánh
giá áp suất thay vì tỉ số nén, vì áp suất hiển thị khả năng nén, trọng lượng phân tử,
nhiệt độ, và nhiệt trị của không khí – và chính xác lượng không khí đi qua ở tất cả
mọi tốc độ động cơ.

Học viên: Vũ Đức Thắng | Luận văn Thạc sĩ - 2014