Tài liệu Phương hướng nâng cao công suất và hiệu suất của thiết bị tua bin khí ppt

Phương hướng nâng cao công suất và
hi
ệu suất của thiết bị tua bin khí chu
trình hỗn hợp
Sau nửa thế kỷ phát triển mạnh mẽ, tuabin khí đã đạt tới đỉnh cao hoàn
thi
ện: hiệu suất của thiết bị tuabin khí (TTK) chu trình đơn đã tăng trên hai
lần và đạt tới gần 40%, còn công suất đơn vị tổ máy lên tới 300 MW. Đó là
nh
ờ nâng cao hiệu suất của cả các bộ phận hợp thành (máy nén, buồng đốt,
tuabin) cũng như nhờ tăng nhiệt độ khí trước tuabin T
G
.
Nh
ờ sử dụng các vật liệu bền nhiệt hiện đại, hệ thống làm mát các bộ phận
nóng nhất, kể cả các vỏ bọc rào nhiệt, nhiệt độ khí đã tăng thêm được
khoảng 800 K và đạt trị số 1.770 K. Công suất đơn vị của tuabin khí với hệ
số nén 
c
= 18 ÷ 21 và lưu lượng không khí đầu vào máy nén 730 ÷ 740
kg/s, là kho
ảng 340 MW, khi đó hiệu suất của tuabin khí bằng 38 ÷ 39%.
Hiệu suất của thiết bị tuabin khí chu trình hỗn hợp* (TBKHH) đạt gần 60%
và công suất của hệ thống thiết bị, tùy theo cấu hình, đã đạt tới 980 MW.Đối
với những tuabin khí có tiềm năng lớn, nếu tăng nhiệt độ lên cao hơn sẽ dẫn
t
ới tăng tiêu hao năng lượng cho hệ thống làm mát, điều đó dẫn đến làm
gi
ảm hiệu quả tương đối từ sự tăng nhiệt độ.
Hình 1 trình bày động thái thay đổi hiệu suất và công suất riêng của TTK
trong giai đoạn 1991

- 2001, ví dụ như TTK của hãng General Electric (Mỹ)
mẫu 701 (PG 7191F, PG 7221FA, PG 7231FA, PG 7224FA, PG 7251FB).
Trong tương lai ít có hi vọng có thể cải thiện đáng kể các đặc tính lưu lượng
của máy nén, còn việc tăng nhiệt độ khí trước tuabin khí không phải là vô
h
ạn. Ít có khả năng nâng cao đáng kể hiệu suất và công suất đơn vị của TTK
theo chu trình đơn Brighton, trong khi đó, nếu sử dụng các chu trình nhiệt
động mở rộng của G.I. Zotikov hoặc V. V. Uvarov, vấn đề đó có thể giải
quyết một cách thắng lợi. Xu thế phức tạp hóa chu trình của TTK đã được
thể hiện trong các công trình nghiên cứu triển khai của nhiều hãng có uy tín
ở phương Tây.
Trong dự án được nhiều người biết đến về hệ thống thiết bị kết hợp TTK -
200 - 750 d
ựa trên chu trình V. V. Uvarov (công trình phối hợp của các
chuyên gia Nhà máy chế tạo tuabin - máy phát điện Kharkov và Trường đại
học Kỹ thuật công nghiệp Matxcơva), với nhiệt độ khí trước tuabin 1.023
K, tổng mức tăng áp suất trong máy nén
c
= 128 và với khả năng truyền
không khí qua máy nén 453 kg/s thì công suất tính toán và hiệu suất tương
ứng l
à 200 MW và 39,5%.
Khi qui đổi về nhiệt độ khí trước tuabin 1.473 K và giữ nguyên như trước
các thông số khác thì công suất và hiệu suất thiết bị là 400 MW và 49,7%.
N
ếu tăng lưu lượng không khí tới 737 kg/s, công suất TTK đạt tới 647 MW.
Để so sánh: Một trong những TTK ho
àn thiện nhất của hãng Mitsubishi
MPCP1-701G2 v
ới nhiệt độ khí trước tuabin bằng 1.773 K, lưu lượng không

khí qua máy nén là 737 kg/s có hiệu suất 39,5% và công suất 334 MW, còn
công su
ất của TBKHH được tổ hợp trên cơ sở TTK đó là 489 MW với hiệu
suất 58,7%.
Thí dụ về việc thực hiện TTK theo chu trình V. V. Uvarov với số lượng hợp
thể ít hơn là việc chế tạo TTK GT-100-750 năm 1970 (một lần làm mát
trung gian và m
ột quá trình cháy trung gian). Đó là thành tựu đáng kể của
ngành chế tạo TTK ở Nga. Sau đó ở Nhật, khi nghiên cứu triển khai TTK
kiểu AGTJ-100A theo chương trình "Ánh sáng trăng" thực tế đã tái tạo lại sơ
đồ nhiệt động của GT
-100-750. Khi đó, giải thích về giải pháp của họ, các
chuyên gia Nhật đã nêu lý do là với việc giới hạn nhiệt độ khí trước tuabin
thì con đường duy nhất để tăng công suất đơn vị và hiệu suất TTK là chuyển
sang chu trình nhiệt động mở rộng. Thiết bị AGTJ - 100A đã được sử dụng
để vận h
ành trong TBKHH (chu trình nhị nguyên). Với nhiệt độ của sản
phẩm cháy sau buồng đốt chính là 1.573 K và của buồng đốt trung gian là
1.444 K thì hi
ệu suất sẽ là 38%, còn công suất khi lưu lượng không khí ở
đầu hút v
ào máy nén là 220 kg/s sẽ là 100 MW.
Thí d
ụ về TTK chu kỳ nhiệt động mở rộng, mới xuất hiện trên thị trường là
TTK GT-26 c
ủa hãng Alstom trong đó có một tầng nén, hai tầng dãn và
bu
ồng đốt trung gian nằm giữa hai tầng này. Với mức tăng áp (còn gọi là tỷ
số nén) là 30 thì chu trình nhiệt động mở rộng nói trên đã cho phép đạt được
công suất riêng 443 kWs/kg giống như ở TTK MPCP1 - 701G2 của hãng

Mitsubishi. Trong trường hợp đó, nhiệt độ khí trước tuabin trong TTK GT-
26 là 1.528 K, khác v
ới nhiệt độ 1.773 K trong TTK của hãng Mitsubishi.
Chu trình đa hợp thể V. V. Uvarov được đặc trưng bởi tổng mức tăng áp
cao, kết quả là áp suất tuyệt đối của chất công tác ở cuối quá trình nén đạt
trên 10 MPa. Áp suất cao như vậy gây khó khăn trong việc chế tạo TTK
trong thực tế. Tuy nhiên điều đó có thể tránh được. Để giải thích ý tưởng này
c
ần phải quay lại với chu trình Carnot. Nếu cắt chu trình theo đường đẳng áp
thành hai chu trìnhCarnot với mức tăng áp suất ghép với mức tăng áp ở
mỗi chu trình
1
=
2
= (trong đó áp suất ban đầu trong mỗi chu trình đó là áp
suất khí quyển), áp suất tối đa trong mỗi chu trình cũng chỉ bằng lần khí
quyển. Trong khi đó tổng hiệu suất và công suất riêng của chu trình cấu
thành từ hai phần ghép của chu trình Carnot sẽ giữ nguyên như của chu trình
ban đầu. Cách tiếp cận tương tự cũng có thể mở rộng sang chu trình V. V.
Uvarov.
Hình 2 trình bày bi
ểu đồ T, s với các chu trình của TTK và các sơ đồ nguyên
lý t
ương ứng của các thiết bị, kể cả thiết bị dựa trên chu trình đơn Brighton
để so sánh. Để dễ hiểu, tất cả các thiết bị được biểu diễn theo sơ đồ một trục.
Nhiệt độ khí trước tuabin là 1.600 K.
Khi phân tích các chu trình trên,
điều cần quan tâm là sự phụ thuộc của hiệu
suất phần truyền dẫn (các bộ cánh tuabin) của máy nén và tuabin vào mức
tăng áp suất (mức d

ãn tương ứng) trong thiết bị, còn tổn thất nhiệt động của
áp suất theo tuyến của TTK (trong các ống của máy nén và tuabin, trong
thi
ết bị trao đổi nhiệt, buồng đốt) được đưa vào các máy nén và tuabin tương
ứng và được tính bằng cách đưa vào các hiệu suất
quy ước (
Q
):
Trong đó:
I
= 1 - ( )
i
; (D )
i
- tổng các tổn thất tương đối về áp suất trong
các phần tử của TTK, chỉ số i ký hiệu hoặc cho máy nén (K), hoặc tuabin
(T); 
PK
,
PT
- hiệu suất politropic của tầng máy nén và của tầng tuabin; K -
ch
ỉ số của đường đoạn nhiệt.
Phân tích các chu trình chỉ ra rằng đối với TTK chu trình hở nhiệt động mở
rộng thì việc đưa mức tăng áp suất dưới 3 đối với các tầng nén và mức dãn
dưới 4 đối với các tầng dãn nở chưa chắc
có lợi, bởi vì khi đó, tổn thất ở các ống đầu vào và đầu ra, các buồng đốt
trung gian và các thiết bị trao đổi nhiệt tương ứng với công tương đối nhỏ
hơn của hệ thống cánh tuabin. Điều đó dẫn tới giảm các trị số hiệu suất quy
ước của tuabin và máy nén, điều đó thể hiện rõ trên các hình 3 và 4. Giảm 

K
và
T
của các bậc nén và dãn nở đòi hỏi phải tăng số bậc, do đó quá trình xích gần
tới đẳng nhiệt, tuy nhiên hiệu quả có lợi đó lại bị cào bằng bởi sự sụt giảm
các hiệu suất quy ước.
Đối với các chu tr
ình 1, 2 và 3 (xem hình 2) đã chấp nhận nhiệt độ của khói
thoát là như nhau
(T
kh.t
= T
14
= 840 K) với giả định rằng sử dụng cùng một
kiểu TTK (những chu trình đó tựa như "đặt vào nhau").
Chu trình 1 là chu trình Brighton
đơn giản, chu trình 2 tương tự như chu
trình của TTK GT-100-750 (chu trình V. V. Uvarov tối giản), chu trình 3 là
chu trình V. V. Uvarov v
ới hai bộ làm mát trung gian (với ba bậc nén) và
v
ới hai lần gia nhiệt trung gian (ba bậc dãn). Các chu trình 4 (1) và chu trình
4 (2) là hai ph
ần của chu trình 3 được cắt theo đường đẳng áp 7 - 13. Trong
trường hợp đó, chúng có thể được xem như hai chu trình riêng biệt, liên hệ
với nhau về nhiệt động qua đường đẳng áp trên đoạn 5 - 12, trên đó chu trình
4 (1) m
ất hiệu entanpi (h
12
- h

5
), còn chu trình 4 (2) nhận được hiệu entanpi
đó. Việc cắt đôi chu tr
ình 3 (hoặc các chu trình tương tự) như vậy, được gọi
là chuẩn nhị nguyên, cho phép duy trì được cấu hình của chu trình ban đầu,
giảm mạnh áp suất cực đại trong chu trình 4 (1) so với chu trình 3 ban đầu.
Về mặt hình thức có thể xác định hiệu suất và công suất riêng của các chu
trình 4 (1) và 4 (2) riêng rẽ, có xét đến rằng trong chu trình 4 (2) diễn ra sự
tận dụng triệt để nhiệt năng toả ra từ chu trình 4 (1) trên đoạn đẳng áp 5 - 12.
Ti
ếp sau đó, có thể tìm hiệu suất tổng (bình quân gia quyền) của hai chu
trình. Rõ ràng rằng trong trường hợp đó tổng công suất riêng và hiệu suất
tổng hóa ra là bằng công suất riêng và hiệu suất của chu trình 3 ban đầu. Tuy
nhiên để thực hiện trong thực tế TTK chuẩn nhị nguy
ên cần phải sử dụng hai
TTK chu trình hở (xem hình 2e), TTK thứ nhất vận hành theo chu trình 4 (1)
và TTK th
ứ hai theo chu trình 4 (2). Trong trường hợp đó, để chuyển hiệu
của các entanpi (h
12
- h
5
) cần phải sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt - tương tự
thiết bị hoàn nhiệt, chỉ với một khác biệt là nhiệt năng được tận dụng của
khói thoát từ TTK chu trình 4 (1) đi vào sấy không khí trước buồng đốt của
TTK chu trình 4 (2). Để tạo ra các điều kiện chuyển nhiệt năng cần phải đảm
bảo áp lực nhiệt độ giữa môi trường gia nhiệt [trong chu trình 4 (1)] và môi
trường được gia nhiệt [trong chu trình 4 (2)], trong đó đi kèm theo quá trình
trao đổi nhiệt trong thiết bị tương ứng là các tổn thất áp lực trong cả hai chu
trình.

Hình 5 gi
ới thiệu hai phương án khả dĩ thực hiện chu trình của TTK chuẩn
nhị nguyên. Trong phương án thứ nhất (hình 5a) cấu hình của chu trình 4 (1)
được giữ nguyên không thay đổi, còn áp suất theo nhiệt độ cần thiết được
thực hiện bằng cách giảm nhiệt độ sau máy nén K2 xuống còn T
51
, điều đó
đ
òi hỏi giảm một cách phù hợp mức tăng áp suất trong máy nén đó. Bởi vì
để duy trì nhiệt độ T
14
không đổi thì mức dãn của tuabin T3 cũng phải duy
trì không đổi, đối với mức tăng áp suất của máy nén thứ nhất đòi hỏi sự hiệu
chỉnh tương ứng theo hướng tăng mức đó. Trong trường hợp đó, công suất
riêng của chu trình 4 (2) thực tế là không thay đổi, còn nhiệt lượng đưa vào
buồng đốt sẽ tăng thêm một trị số tỷ lệ thuận với hiệu số T
5
- T
51
= T
12
- T
12
*
,
ngh
ĩa là tỷ lệ thuận với áp lực nhiệt độ đã chấp nhận.
Kết luận
1. Cơ sở của các thiết bị nhị nguy
ên tổ hợp hiện đại là các TTK chu trình

đơn Brighton. Trong các ứng dụng này, nhiệt độ khí trước tuabin đạt tới
1.700 - 1.780 K và lưu lượng không khí hút vào máy nén tăng lên tới 740
kg/s. Điều đó cho phép nâng hiệu suất TTK năng lượng đạt mức 39,5%, v
à
công su
ất đơn vị tới 335 MW, công suất của thiết bị nhị nguyên trên cơ sở
một TTK đạt 450 - 490 MW, với hiệu suất gần 60%.
2. Ngày nay những thông số của TTK chu trình đơn (nhiệt độ khí trước
tuabin và lưu lượng không khí qua máy nén) đ
ã tiến gần các trị số giới hạn
đối với các TTK đặt cố định, tuổi thọ d
ài. Khó có thể tăng hơn nữa đáng kể
các thông số đó. Ngoài ra, mỗi độ nâng thêm nhiệt độ khí trước tuabin dẫn
tới giảm nhịp độ gia tăng hiệu suất và công suất riêng. Trong khi đó, tăng
nhiệt độ khiến cho việc giải quyết các vấn đề sinh thái trở nên phức tạp hơn.
3. Ở mức hiện đại của nhiệt độ khí trước tuabin và lưu lượng không khí hút
vào máy nén, việc chuyển sang các TTK chu trình mở rộng về nhiệt động
học mở ra con đường cho việc tiếp tục tăng lên một cách cơ bản tính kinh tế
và công suất của các TTK đặt cố định, và kể cả các thiết bị tổ hợp được tạo
ra trên cơ sở các TTK. Việc chuyển sang các thiết bị đó sẽ tạo điều kiện
nâng cao tính kinh tế của TTK tới 58% và công suất đơn vị tới 1.000 MW.
Tương ứng điều đó sẽ cho phép nâng hiệu suất của thiết
bị nhị nguyên tổ
hợp tới 70% với công suất gần 1.200 MW.
4. TTK chu trình nhiệt động mở rộng có đặc điểm là trị số tổng mức tăng áp
suất cao và tương ứng áp suất cực đại trong chu trình cũng cao. Việc chuyển
sang TTK chuẩn nhị nguyên cho phép:
- gi
ảm trị số áp suất cực đại trong chu trình 4 (1) khoảng lần - loại trừ sự
giảm tính kinh tế của các hệ thống cánh tuabin liên quan tới áp suất cao.

- tránh được các vấn đề giảm độ bền và các ứng lực dọc trục đi kèm theo với
áp suất cao của môi trường công tác.
5. Hi
ệu suất và công suất riêng của chu trình TTK chuẩn nhị nguyên tỏ ra
thấp hơn không đáng kể so với các chỉ tiêu tương ứng của chu trình ban đầu.
Sự giảm tương đối những chỉ tiêu đó phụ thuộc vào áp lực nhiệt độ đã được
chấp nhận và tổn thất áp suất của chất mang nhiệt trong thiết bị trao đổi
nhiệt giữa các chu trình.
6. Trong vi
ệc tạo ra thiết bị trao đổi nhiệt giữa các chu trình (tương tự thiết
bị hoàn nhiệt) cần phải áp dụng những thành tựu kỹ thuật hiện đại nhất.