CHU TRÌNH HƠI NƯỚC RANKINE CỦA LÒ THU HỒI NHIỆT VÀ TURBINE HƠI

ĐỀ TÀI:

CHU TRÌNH HƠI NƯỚC RANKINE - CỦA
LÒ THU HỒI NHIỆT VÀ TURBINE HƠI


I/ Lý thuyết:
1.
2.
3.

4.

Giới thiệu Chu trình hơi nước Rankine.
Hiệu suất nhiệt của chu trình
Các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt của
chu trình.
Giới thiệu chu trình quá nhiệt trung gian.

II/ Áp dụng cho Phú Mỹ 1
1.
2.

3.
4.

Chu trình hơi nước của Phú Mỹ 1.
Nguyên lý làm việc của lò thu hồi nhiệt và turbine hơi
Phú Mỹ 1.
Các thông số giới hạn của turbine hơi.
Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất của turbine hơi.

III/ Thảo Luận
11/08/08

2


I/ Lý thuyết:
1.



Chu trình hơi nước Rankine.
Hiện nay các thiết bị động lực hơi nước làm việc theo
chu trình Rankine. Các thiết bị hơi nước làm việc theo
chu trình Rankine có thể thực hiện với hơi quá nhiệt
hoặc hơi bảo hoà khô.

11/08/08

3


1.


Chu trình hơi nước rankine.
Sơ đồ nguyên lý nhà máy nhiệt điện và chu trình
Rankine làm việc với hơi quá nhiệt:
B

A

C
D

A: Lò hơi. B: Turbine. C: Bình ngưng. D: Bơm cấp nước
11/08/08

4


1.

Chu trình hơi nước rankine.

Thiết lập đồ thị p-v
p

k

p’’
1’’

p’
1’
Nước chưa sôi

p

1
Lỏng sôi

2’’

2’
Hơi bảo hào ẩm

Hơi quá nhiệt

2
Hơi bảo hoà khô

v

11/08/08

Khi đun một chất thuần khiết (nước) ở áp
suất không đổi p, ta có các quá trình sau:
 Khi nước bắt đầu sôi, ta có nhiệt độ
sôi hay nhiệt độ bảo hòa ứng với áp suất
p
 Gọi x là độ khô của hơi bảo hào ẩm:
• Ở điểm 1 có x = 0, ở điểm 2 có x = 1
• Vậy 0 < x < 1 có trạng thái là hơi bảo
hoà ẩm
 Tương tự, xét với áp suất p’ và p’’: các
điểm 1’, 1’’ lệch về bên phải của điểm 1;
các điểm 2’, 2’’ lệch về bên trái điểm 2 là
do:

• Nhiệt độ tại điểm 1’ lớn hơn điểm 1 nên
thể tích riêng điểm 1’ lớn hơn điểm 1.
• Áp suất tại điểm 2’ lớn hơn điểm 2 nên
thể tích riêng tại điểm 2’ lớn hơn điểm 2
• Hai đường 1, 1’, 1’’ và 2, 2’, 2’’ gặp nhau
tại điểm tới hạn k(221bar, 3740C)
5


1.

Chu trình hơi nước Rankine.

Chu trình Renkine được thể hiện trên đồ thị T-S gồm
các quá trình:
 1-2: Giãn nở đoạn nhiệt hơi trong turbine từ
K







11/08/08

trạng thái 1(p1, t1) đến 2(p2, t2), sinh công WT
(kJ/kg)
2-3: Ngưng hơi đẳng áp trong bình ngưng.
Hơi bảo hoà ẩm có áp suất p2 thoát ra khỏi

phần đuôi turbine đuợc đẩy vào bình
ngưng để nhả nhiệt và ngưng tụ thành
nước.
3-4: Nén nước (đoạn nhiệt) từ áp suất p2 ở
bình ngưng vào lò hơi có áp suất p1 nhờ
bơm nước cấp, quá trình này tiêu hao một
lượng công nhỏ WP.
4-1: Gia nhiệt đẳng áp từ nước chưa sôi ở
trạng thái 4(áp suất p1) thành hơi quá nhiệt
ở trạng thái 1(p1, t1) trước khi đẩy vào
6
turbine.


2. Hiệu suất nhiệt của chu trình
q2
W
ηt = = 1 −
q1
q1

W - Công sinh ra của chu trình (kJ/kg)
q1 - Nhiệt lượng cung cấp vào của chu trình (kJ/kg)
q2 - Nhiệt lượng thải ra cho nguồn lạnh (kJ/kg)

Công sinh ra của turbine WT:

WT = i1 – i2 (kj/kg)

Công tiêu hao trong quá trình nén nước của bơm W p

Wp = i4 – i3 = v(p4 – p3) = v(p1 – p3)
Công sinh ra của chu trình

W = (i1 – i2) – (i4 – i3)

Nhiệt lượng cấp vào của chu trình

q1 = i1 – i4

Nhiệt lượng thải của chu trình

q2 = i2 – i3

Hiệu suất nhiệt của chu trình
11/08/08

ηt =

(i1 − i2 ) − (i4 − i3 )
i1 − i4
7


3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt
a. Ảnh hưởng của áp suất hơi vào tuabin p1
Tăng áp suất ban đầu p1của hơi trước khi vào tuabin trong khi vẫn
giữ nhiệt độ ban đầu t1 và áp suất hơi ra khỏi tuabin p2 không đổi
làm tăng hiệu suất.


Khi tăng p1 công sinh ra của tuabin tăng lên, do đó hiệu suất tăng.
Nói cách khác, p1 tăng nghĩa là tăng nhiệt độ bão hoà của hơi
trong quá trình hoá hơi đẳng áp và nhiệt độ trong quá trình cấp
nhiệt đẳng áp tăng, trong khi đó nhiệt độ trung bình của quá trình
thải nhiệt của chu trình không thay đổi dẫn đến tăng hiệu suất
nhiệt của chu trình.



Tuy nhiên, tăng áp suất p1 sẽ làm giảm độ khô của hơi ra khỏi
turbine dẫn đến sự va đập của các hạt nước vào cánh tuabin làm
giảm độ bền của turbine và hiệu suất cơ cũng giảm.

11/08/08

8


3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt
b. Ảnh hưởng của nhiệt độ hơi vào tuabin t1
Khi áp suất p1 và p2 không đổi, nếu tăng nhiệt độ ban đầu t1 sẽ
làm tăng hiệu suất của chu trình.


Thực vậy khi tăng t1, nhiệt độ trung bình của quá trình cấp nhiệt
sẽ tăng lên, trong khi đó nhiệt độ trung bình của quá trình thải
nhiệt không thay đổi làm cho hiệu suất tăng.



Mặt khác, khi tăng t1 dẫn đến độ ẩm phần cuối tuabin giảm, tránh
được bớt sự xâm thực cơ học của các tầng cánh cuối.



Tuy nhiên, khả năng tăng nhiệt độ t1 phụ thuộc vào điều kiện chế
tạo kim loại (vì bộ quá nhiệt của lò hơi sẽ làm việc trong điều
kiện áp suất và nhiệt độ cao rất dễ sự cố).

11/08/08

9


3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt
c. Ảnh hưởng của hơi ra khỏi tuabin p2
Khi thông số đầu vào p1, t1 không đổi, nếu giảm áp suất hơi ra
khỏi tuabin p2 thì hiệu suất của chu trình sẽ tăng lên.


Thực vậy, khi giảm áp suất p2 xuống, dẫn đến nhiệt độ bão hoà
của hơi trong bình ngưng cũng giảm theo (tức nhiệt độ trung
bình trong quá trình thải nhiệt giảm) làm tăng hiệu suất nhiệt của
chu trình.



Nhiệt lượng thải của bình ngưng q2 vào môi trường để làm cho
hơi ngưng tụ lại (thông qua nước tuần hoàn)và nhiệt độ tối thiểu
của hơi ngưng phụ thuộc vào điều kiện môi trường.



Mặt khác khi giảm p2 thì thể tích riêng của hơi ở các tầng cánh
cuối của tuabin tăng lên dẫn đến kích thước của các tầng cánh
cuối tăng, turbine sẽ cồng kềnh và tiêu tốn nhiều kim loại.

11/08/08

10


4.

Chu trình quá nhiệt trung gian

Trong các thiết bị nhiệt năng có quá nhiệt trung gian hay còn gọi
là tái sấy. Sau khi sinh công trong turbine cao áp, hơi được dẫn
vào lò để quá nhiệt lần hai, nâng nhiệt độ của hơi từ t1 đến t2. Sau
khi đã quá nhiệt trung gian, hơi được dẫn vào turbine để giãn nở
sinh công đến áp suất bình ngưng.
Ưu điểm:


Áp dụng quá nhiệt trung gian hiệu suất của chu trình sẽ tăng lên.



Ứng dụng quá trình quá nhiệt trung gian sẽ làm giảm độ ẩm của
hơi trong các tầng cánh cuối của turbin.



Ngoài ra quá nhiệt trung gian sẽ cho phép tăng áp suất hơi ban
đầu với nhiệt độ hơi ban đầu không đổi mà vẫn đảm bảo được
độ ẩm cuối của chu trình.

11/08/08

11


4.

Chu trình quá nhiệt trung gian
B

A

E

C

A: Lò hơi, B:Tuabin,
C: Bình ngưng,
D: Bơm nước cấp,
E: Bộ quá nhiệt trung gian.

D
1

T

7

4
6

3

2
S

11/08/08

Hơi từ lò hơi có áp suất p1, nhiệt độ
t1được đưa vào tuabin. Sau khi giãn nở
qua một số tầng cánh của tuabin đến
trạng thái 6 có độ khô cho phép, hơi này
được đưa về lò hơi để gia nhiệt tại bộ
quá nhiệt trung gian đến trạng thái 7 rồi
đưa vào các tầng sau của tuabin để giãn
nở đến áp suất p2.
12


II/ Áp dụng cho Phú Mỹ 1
1. Chu trình hơi nước của Phú Mỹ 1.

Chu trình hơi nước của Phú Mỹ 1 là chu trình có quá nhiệt

trung gian. Có ba cấp hơi, cao áp, trung áp và hạ áp. Hơi cao
áp sau khi sinh công trong turbine cao áp được tái tuần hoàn
về lò thu hồi nhiệt để gia nhiệt cùng hơi siêu nhiệt trung áp
trước khi đưa vào turbine trung áp.

11/08/08

13


1.

Chu trình hơi nước của Phú Mỹ 1

T

1

HP
SH

1-2: Sinh công đoạn nhiệt trong HP TB

3
HTR

IP TB

3-4: Sinh công đoạn nhiệt trong IP TB

HP TB

4
HP
DRUM
HP ECO
IP ECO

11
10
9
8

IP DRUM

IP
SH

4-5: Sinh công đoạn nhiệt trong LP TB

2
LP
SH

5-6: Ngưng tụ hơi trong bình ngưng
LP TB

LP DRUM

7-8: Gia nhiệt đẳng áp trong Pre-HTR

11-1: Gia nhiệt đẳng áp của phần HP

7
5

11/08/08

6-7: Nén nước đoạn nhiệt qua CEP
8-9,10,11: Nén nước đoạn nhiệt qua
HP/IP/LP BFP

LP ECO

6

2-3: Gia nhiệt đẳng áp trong bộ HTR

10-2: Gia nhiệt đẳng áp của phần IP
S

9-4: Gia nhiệt đẳng áp của phần LP
14


1.


Chu trình hơi nước của Phú Mỹ 1
Tính hiệu suất của turbine hơi Phú Mỹ 1

Ba GT tải nền, ST14: 377MW (S/T Heat rate 9862.8 kj/kwh)

Điểm

Áp suất
(bar)

Nhiệt độ
(oC)

Enthalpi
i (kj/kg)

Entropi
s (kj/kg)

Tra bảng

1

143

540

3430.9

-

NCS&HQN

2

45

377

3149.5

-

NCS&HQN

3

41.8

539

3533.3

7.18

NCS&HQN

4

9

279

3009.5

-

NCS&HQN

2236

-

HBH theo P

2272.8

-

HBH theo t

5

11/08/08

0.073

46

15


1.

Chu trình hơi nước của Phú Mỹ 1

Xét điểm số 5(73mbar, 46oC)
 Tra bảng hơi bảo hoà theo áp suất có:
i‘5=166.6 kj/kg; s’5=0.57 kj/kg; i”5=2573 kj/kg; s”5=8.26 kj/kg
Ẩn nhiệt hóa hơi:

r5 = 2406,5 kj/kg

s5 − s5'
= 0.86 = 86%
Độ khô của hơi ra khỏi LP TB: x 5 = ''
'
s5 − s5
⇒ i5 = i’5 +r5x5 = 166.6 + 2406.5 × 0.86 = 2236 kj/kg


Tra bảng hơi bảo hoà theo nhiệt độ có:
i‘5=191.6 kj/kg; s’5=0.65 kj/kg;
i”5=2584.2 kj/kg; s”5=8.15 kj/kg; r5 = 2391 kj/kg
Tính được x5 = 0.87
⇒ i5 = 2272.8 kj/kg

11/08/08

16


1.



Chu trình hơi nước của Phú Mỹ 1
Tính hiệu suất của turbine hơi Phú Mỹ 1

Điểm

Áp suất
(bar)

Nhiệt độ
(oC)

Entanpi
i (kj/kg)

Entropi
s (kj/kg)

Tra bảng

6

0.073

43

180.1

-

NCS&HQN

7

16

43

181.5

-

NCS & HQN

8

1.95

120

501.3

-

HBH

9

19.6

120

505

-

HBH

10

67

120

508.4

-

HBH

11

181

120

516.5

-

HBH

11/08/08

17


1.

Chu trình hơi nước của Phú Mỹ 1















11/08/08

Lưu lượng hơi phần cao áp ( 03 lò) 813000 kg/h.
Lưu lượng hơi phần trung áp 142000 kg/h

Lưu lương hơi phần RH 910000 kg/h.
Lưu lượng hơi phần hạ áp 120000 kg/h.
Lưu lượng nước ngưng 1075000 kg/h.
Công thực hiện bơm nước ngưng:
WP(CEP) = (i7 – i6) 1075000 = 1505000 kj
Công thực hiện bơm cấp nước cao áp:
WP(HP FWP) = (i11 – i8) 813000 = 12357600 kj
Công thực hiện bơm cấp nước trung áp:
WP(IP FWP) = (i10 – i8) 142000 = 1008200 kj
Công thực hiện bơm cấp nước hạ áp:
WP(LP FWP) = (i9 – i8) 120000 = 444000 kj
Tổng công dùng cho bơm nước:
WP = WP(CEP) + WP(HP FWP) + WP(IP FWP) + WP(LP FWP) = 15314800 kj.
18


1.


Chu trình hơi nước của Phú Mỹ 1
Nhiệt cấp cho phần cao áp:
Q HP = (i1 – i11)813000 = 2369407200 kj



Nhiệt cấp cho phần trung áp:
Q IP = (i2 – i10)142000 + (i3 – i2) 910000 = 724294200kj



Nhiệt cấp cho phần hạ áp:
Q LP = (i4 – i9)120000 = 300540000 kj



Nhiệt cấp cho phần Pre HTR:
Q Pre = ( i8 – i7)1075000 = 343785000 kj



Tổng lượng nhiệt cấp để gia nhiệt nước thành hơi siêu nhiệt
của chu trình:
Q = Q HP + Q IP + Q LP + Q Pre = 3738026400 kj.

11/08/08

19


1.

Chu trình hơi nước của Phú Mỹ 1


Công sinh ra trên turbine cao áp:
WHP = (i1 – i2)813000 = 228778200 kj



Công sinh ra trên turbine trung áp:

WIP = (i3 – i4)910000 = 476658000 kj



Công sinh ra trên turbine hạ áp:
WLP = (i4 – i5)1075000 = 831512500 kj
Vậy công sinh ra trên turbine hơi là:
W = WHP +WIP + WLP =1536948700 kj
Vậy hiệu suất nhiệt của ST14 là:







11/08/08

Q
3738026400
=
= 9915.2kj / kwh
KWh
377000

Hiệu suất của ST14
(theo nhiệt độ)

W − WP
η=

x100 = 4039.7%
.7%
Q
20


Ghi chú:


Tính hiệu suất của ST14 bỏ qua hơi rò rì trên hệ thống và phần
nhiệt hạ áp đưa về bình khử khí.



Các ký hiệu i, s, ứng với enthalpy, entropy của chất thuần khiết. i’,
s’, là enthalpy, entropy của trạng thái lỏng sôi, i”, s” là enthalpy,
entropy của trạng thái bảo hoà khô, r biểu diễn ẩn nhiệt hoá hơi ( là
nhiệt lượng cần thiết để làm cho 1kg nước từ trạng thái lỏng sôi trở
thành hơi bảo hoà khô)



Ở điểm 5 có áp suất 73mbar, nhiệt độ 460C tra bảng ta thấy đây là
hơi siêu nhiệt có i5 = 2585.1kj/kg, s5= 8.3kj/kg khác với s3= 7,18kj/kg.
Lúc này ta có



Khi đó công sinh ra trên turbine hạ áp:
WLP = (i4 – i5)1075000 = 456230000 kj

Công sinh ra trên turbine hơi là:
W = WHP +WIP + WLP = 1161666200 kj





Hiệu suất của ST14:

11/08/08

W − WP
η=
x100 = 30.7%
Q
21


2.

Lò thu hồi nhiệt và turbine hơi PM1
Lò thu hồi nhiệt Phú Mỹ 1

a.


Lò thu hồi nhiệt Phú Mỹ 1 là loại lò có ống trao đổi nhiệt
nằm ngang.



Lò thu hồi nhiệt nhận nhiệt từ khí thải của turbine khí để gia
nhiệt nước thành hơi siêu nhiệt để đưa qua turbine hơi sinh
công.
Lò của Phú Mỹ 1 có ba cấp hơi.




Hơi cao áp: Áp suất thiết kế vận hành 150.2 bar, nhiệt độ thiết
kế vận hành 5400C.



Hơi trung áp: Áp suất thiết kế vận hành 44.1bar, nhiệt độ thiết
kế vận hành 5390C.



Hơi hạ áp: Áp suất thiết kế vận hành 8.8bar, nhiệt độ thiết kế
vận hành 2820C.

11/08/08

22


2.

b.





Lò thu hồi nhiệt và turbine hơi PM1
Turbine hơi Phú Mỹ 1 loại:
Tái sấy ngưng hơi đơn
Hai xylanh hàng dọc.
Thoát hơi hai hướng.
Turbine hơi nhận hơi từ lò thu hồi nhiệt. Hơi cao áp sau khi
sinh công trong turbine cao áp sẽ trở lại quá nhiệt trung gian
kết hợp với hơi trung áp đưa vào turbine trung áp. Hơi thoát
của turbine trung áp kết hợp với hơi hạ áp vào turbine hạ áp
sinh công. Hơi thoát turbine hạ áp được ngưng tụ trong
bình ngưng. Bơm nước ngưng cấp nước trở về lò thu hồi
nhiệt để nhận nhiệt tạo thành chu trình kín.

11/08/08

23


3.

Các thông số giới hạn của turbine hơi



Hơi cao áp: Áp suất thiết kế vận hành 150.2 bar, nhiệt độ thiết
kế vận hành 5400C lưu lượng hơi 826500 kg/h.



Hơi trung áp: Áp suất thiết kế vận hành 44.1bar, nhiệt độ thiết
kế vận hành 5390C lưu lượng hơi 922500 kg/h.



Hơi hạ áp: Áp suất thiết kế vận hành 8.8bar, nhiệt độ thiết kế
vận hành 2820C, lưu lượng hơi 111300 kg/h.



Bình ngưng: Nhiệt độ nước làm mát vào bình ngưng 300C,
nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng 370C, lưu lượng nước làm
mát 81170 m3/h……….

11/08/08

24


4. Các yếu tố ảnh hưởng đến h/suất ST PM1







Đối với Phú Mỹ 1 nhiệt độ và áp suất hơi vào turbine được
điều chỉnh tự động và theo tải của turbine khí, vậy các yếu tố
ảnh hưởng tới hiệu suất của TB như:
Khả năng trao đổi nhiệt của lò kém.
Rò rỉ hơi ở các van xả hơi của các ống góp hơi.
Do nhiệt độ môi trường cao dẫn đến công suất của các tổ
máy GT giảm dẫn đến công suất của TBH giảm.
Chân không bình ngưng cao.







11/08/08

Do nhiệt độ nước làm mát cao.
Do lưu lượng nước làm mát không đủ.
Do ống trao đổi nhiệt làm mát bình ngưng dơ.
Do lủng ống trao đổi nhiệt.
Do bình ngưng không kín.
Do hệ thống chèn các van nối với bình ngưng không kín.
25