Giảng viên: Ts. Nguyễn Tường Dũng

1. MÔN HỌC Giảng viên: Ts. Nguyễn Tường Dũng Nhà máy nhiệt điện

2. 1. Nhà máy điện tuabin khí

3. Ưu điểm Tua bin khí • Tg khởi động nhanh. • Khí thải tương đối sạch. • Chi phí xây dựng thấp. • Việc lựa chọn nhiên liệu rộng rãi. • Giai đoạn lắp đặt ngắn.

4. Tua bin khí • Đc tbk là loại đc nhiệt, dạng rotor trong đó chất giãn nở sinh công là kk. • Gồm 3 bộ phận chính: • khối mng dạng rotor (chuyển động quay); • buồng đốt đẳng áp loại hở; • Khối tb. • mng và tb có trục được nối với nhau để tb làm quay mng.

5. Tua bin khí- động cơ roto • Các khối công năng chính là mng và tb chỉ có chuyển động quay 1 chiều. • Khác với đc piston có khối công năng chính là piston của xi lanh chuyển động tịnh tiến.

6. Tua bin khí- đc loại hở • Kk từ lối vào của mng qua buồng đốt và ra khỏi tb đều chảy qua khoảng không gian hở o có vùng không gian bị đóng kín. • Đc piston: kk sinh công trong xi lanh là vùng không gian kín ngăn cách với bên ngoài bằng các xu páp. • Tính chất hở đảm bảo qt cháylà đẳng áp • nếu cháy trong k/gian kín sẽ làm tăng Pkk, làm P trong buồng đốt cao hơn P tại mng, kk bị gia nhiệt thổi ngược lại mng.

7. Tua bin khí- quá trình liên tục • Chu trình nhiệt động lực họctbk là ct Brayton. • Giống với ct đc piston: hút – nén – gia nhiệt (đốt) – giãn nở. • ở đc piston tất cả các gđ đó diễn ra tại cùng 1 bộ phận (xi lanh) nhưng ở các thời điểm khác nhau, luân phiên theo qt hút, nén, nổ, xả • gọi là qt gián đoạn.

8. Tua bin khí- quá trình liên tục • Tbk: các qt này diễn ra liên tục nhưng tại các bộ phận khác nhau: • Tại mng: nén liên tục • Tại buồng đốt: gia nhiệt liên tục • Tại tb: giãn nở sinh công liên tục • yếu tố này quyết định tính cs cao của tbk.

9. Nguyên tắc hoạt động Tua bin khí • Mng quay làm kk từ cửa hút của mng được nén lại để tăng P, trong qt đó không chỉ P tăng mà T cũng tăng (ngoài ý muốn). • Qt tăng nội năng kk trong mng. • Sau đó kk chảy qua buồng đốt: • Tại đây nhiên liệu được đưa vào để trộn và đốt 1 phần kk, qt cháy là qt gia nhiệt đẳng áp trong đó kk bị gia nhiệt tăng T và thể tích mà không tăng P. • Thể tích kk được tăng lên rất nhiều và có T cao được thổi về phía tb với vận tốc rất cao.

10. Nguyên tắc hoạt động Tua bin khí • Tb là khối sinh công, tại đây kk tiến hành giãn nở sinh công: • Nội năng biến thành cơ năng: P, T và vận tốc kk giảm xuống biến thành năng lượng cơ học dưới dạng M tạo chuyển động quay cho trục tb. • Tb quay sẽ truyền M quay mng cho đc tiếp tục làm việc. • Phần E còn lại của dòng khí nóng chuyển động với vận tốc cao tiếp tục sinh công có ích theo thiết kế của từng dạng đc: • Phụt thẳng ra tạo phản lực nếu là đc phản lực của máy bay. • Quay tb tự do (o nối với mng) để sinh công năng hữu dụng đối với các loại tbk khác.

11. Nguyên tắc hoạt động Tua bin khí

12. Nguyên tắc hoạt động Tua bin khí

13. Chu trình Brayton -Tua bin khí • 1-2: Nén đẳng Entropy tại mng; • 2-3: Gia nhiệt đẳng áp tại buồng đốt; • 3-4: Giãn nở sinh công đẳng entropy tại tb; • 4-1: Khép kín ct đẳng áp bên ngoài môi trường.

14. Giải thích chu trình Brayton • Kk được hút vào buồng nén, được làm tăng P theo qt gần với đẳng entropy. • Khí đã nén chạy sang buồng đốt, nơi nhiên liệu được phun vào và đánh lửa, làm tăng T khí trong 1 qtđẳng áp, do buồng đốt mở thông cho dòng chảy vào và ra. • Khí ở P và T cao được giãn nở tại buồng giãn nở đẩy các cánh quạt của tb; theo qt giãn nở đẳng entropy. • 1 phần công năng cung cấp cho tb được dùng vào việc nén khí ở buồng nén khí.

15. Giải thích chu trình Brayton • Qt nén khí và giãn nở o đẳng entropy; và công năng bị hao hụt trong các qt này làm giảm hiệu suất nhiệt động lực học của đc. • Công có ích do đc sinh ra được thể hiện bằng diện tích S hình khép kín 1 – 2 – 3 – 4. • S này càng lớn thì công có ích và hiệu suất càng lớn. • Để tăng S này thì phải tăng P sau mng của điểm 2,3; P điểm 4;1 là P môi trường không thể giảm xuống. • Hiệu suất đc được quyết định bằng tỷ số nén. • Việc tăng tỷ số nén giúp cải thiện hiệu suất và cs của hệ thống Brayton.

16. Máy nén gió Tua bin khí • Mng là 1 trong các khối công năng chính của đc tbk, làm tăng nội năng (P) kk tạo P cho đỉnh trên (đỉnh 3) cho qt giãn nở sinh công (giai đoạn 3-4) P sau mng càng cao thì hiệu suất nhiệt động lực học càng lớn, do đó mng quyết định hiệu suất của đc. • Đc tbk cần tỷ số nén (P sau mng/P trước mng) từ 10-20. • Các loại mng trong đc tbk đều theo nguyên tắc dùng rãnh diffuser (thiết diện rãnh khí nở ra) để biến động năng (vận tốc) của dòng kk thành nội năng (P).

17. Cấu tạo Máy nén gió Tua bin khí • Mng gồm có 1 rotor và vỏ máy. • Cánh động được gắn trên rotor, cánh tĩnh, IGV và cánh dẫn hướng gió ra được gắn thành khung vào bên trong vỏ máy. • Chiều dài của cánh động và cánh tĩnh giảm dần từ đầu vào đến đầu ra của mng, P kk bên trong máy tăng dần qua các tầng cánh.

18. Vỏ máy nén gió Tua bin khí • Vỏ mng được đúc bằng gang và thép. • Có 3 khối: vỏ trong, khung trước và khung sau. • Vỏ trong có hình dạng mặt nghiêng trơn để dòng gió trôi vào mng, đồng thời được gắn các ổ đỡ chịu lực hướng kính và dọc trục, IGV. • IGV đặt phía sau của đường gió vào, điều chỉnh thông qua vành điều khiển bằng tác động thủy lực qua 1 liên kết cơ khí như hộp số bánh răng.

19. Cánh tĩnh máy nén gió Tua bin khí • Cánh tĩnh mng được gắn trên tấm vành khuyên gọi là vành cánh, vành cánh được lắp chặt khít vào trong các rãnh có sẵn trên bề mặt bên trong của vỏ máy. • Cánh tĩnh có khi được lắp trực tiếp vào trong rãnh của vỏ máy (các tầng phía sau).

20. Roto máy nén gió Tua bin khí • Rotor là loại đúc liền khối hay được ghép từ các đĩa đơn thành 1 khối tùy theo cs và nct. • Rotor đỡ các cánh động của MNG trong các rãnh được gia công theo chu vi. • Rotor có các rãnh để để giữ các vòng chèn dùng để chèn gió làm mát và các lỗ dùng để lắp các gia trọng để tạo sự cân bằng mà không cần phải tháo máy. • Trục rotor tb và mng được ghép liên kết với nhau bằng pp hàn (ABB, Alstoms), hay ghép bằng bulông (MHI, Siemens, GE). • Các đĩa mang cánh động mng được chế tạo chính xác, các bề mặt lắp ghép giữa các đĩa với nhau được tạo răng để truyền M xoắn từ đĩa này qua đĩa kia.

21. Cánh động Roto máy nén gió Tua bin khí • Các cánh động nén gió vào mng nén từ hệ thống gió vào. • Chân cánh được cố định bằng bộ phận khóa ngăn ngừa cánh rơi khỏi các rãnh. • Cánh động o được làm mát, được đúc hoặc rèn chính xác từ các khối thép hợp kim thép – Crôm và được lắp chặt trong rãnh sâu của rotor máy nén từng cánh 1 và được định vị bằng các chốt, tấm uốn, …

22. IGV- Tua bin khí • IGV được sử dụng kết hợp với van trích khí và đóng vai trò ngăn chặn ảnh hưởng của hiện tượng sụt tốc và tăng tốc đột ngột xuất hiện bên trong mng khi khởi động. • Khi chạy 1 phần phụ tải, cánh IGV được điều khiển để đạt được hiệu suất cao bằng cách giữ T khí thoát cao và cải thiện thu hồi nhiệt ở lò hơi. • Khi khởi động, cánh dẫn hướng khí vào đặt ở vị trí đóng để khử tốc độ dòng hút của mng, điều đó ngăn ngừa P khí đầu ra tăng cao hơn P cho phép. • Khi chạy 1 phần phụ tải, tốc độ dòng khí được giảm để nâng T khí thoát, đó là kết quả cải thiện hiệu suất của nmd.

23. Buồng đốt Tua bin khí • Bd là loại ống lửa hở, khoảng 7-10 ống được bố trí thành vòng tròn xung quanh trục đc phía sau mng và phía trước tb. • Mỗi ống lửa có 1 vòi phun nhiên liệu đặt ở mặt phía trước. • Ống lửa là các đốt thép hình côn (đốt con nhộng) được đặt so le gối đầu và được hàn với nhau, tại các đường hàn đó có rất nhiều các lỗ nhỏ (D=0,5-1mm): • kk của dòng tc chảy từ bên ngoài chảy qua các lỗ này sẽ tạo thành các lớp khí làm mát sát mặt ống lửa bên trong để bảo vệ ống lửa.

24. Buồng đốt Tua bin khí • Trên các đốt của ống lửa còn có các lỗ to để dòng kk tc từ bên ngoài đi vào để làm chất giãn nở sinh công và để làm nguội dòng lửa nóng trước khi đi vào tb. • Kk từ mng gặp các ống lửa chia thành 2 dòng khí: • dòng khí sc – để đốt cháy nhiên liệu, khoảng 30% khối lượng khí • dòng khí tc- khoảng 70% để làm mát bảo vệ ống lửa và làm chất giãn nở sinh công và để hòa vào dòng lửa phụt để làm giảm T dòng lửa phụt khi đi vào tb.

25. Buồng đốt Tua bin khí • Buồng đốt của tbk là nơi tạo ra phản ứng cháy. • Cấu tạo 1 buồng đốt gồm có: • Một vòi đốt. • Một ống mang cá. • Một vỏ buồng đốt. • Các chi tiết khác.

26. Ống đốt buồng đốt Tua bin khí • Xy lanh bên trong của buồng đốt chịu T cao nhất nên sử dụng vật liệu (nền Ni) có sức bền nhiệt cao và đồng thời nhiệt truyền từ ngọn lửa ra là nhỏ nhất. • Mặt trong ống đốt được phủ lớp chịu nhiệt nền gốm (TBC: Thermal Barrier Coating). • Pp làm mát màng mỏng và làm mát khí khác để ngăn T vượt quá T kim loại thiết kế.

27. Tua bin khí

28. Ống bọc ngoài buồng đốt • Ống bọc ngoài là ống lắp trên phía ngoài xy-lanh có vai trò điều chỉnh dòng khí, tăng tốc độ dòng khí trên mặt ngoài xy lanh nhằm cải thiện hiệu quả làm mát đối lưu.

29. Bugi đánh lửa • Nến đánh lửa đốt khí dễ cháy bằng cách áp dụng U cao (300-10000V) qua các điện cực và tia lửa phát ra. • Nến đánh lửa được tự động đẩy ra ngoài xy lanh nhờ P bên trong xy lanh tăng lên khi buồng đốt đã được đốt.

30. Ống truyền lửa buồng đốt • Ống truyền lửa nối các xy lanh liền nhau và đóng vai trò dẫn khí T cao từ các bộ đốt đánh lửa riêng biệt đến các bộ đốt không đánh lửa. • Do P bên trong bộ đốt đánh lửa tăng, P khác nhau giữa các bộ đốt đánh lửa và không đánh lửa, khí T cao truyền qua ống truyền lửa và được dẫn vào bộ đốt không đánh lửa.

31. Bộ dò lửa • Bộ dò lửa kiểm tra mật độ tia cực tím được phát ra bởi ngọn lửa và kiểm tra các đk cháy. • Thường ngọn lửa được quan sát qua kính chịu nhiệt, và phần đầu bộ dò lửa được làm mát bằng nước để ngăn ngừa sự truyền nhiệt từ bộ đốt.

32. Ống chuyển tiếp- ống vòi voi • Ống chuyển tiếp (ống vòi voi) dùng để dẫn khí đốt đến tầng cánh tĩnh đầu tiên • Được làm mát bằng khí và phủ lớp chịu nhiệt (TBC) như trường hợp xy lanh bên trong để bảo vệ ống dẫn ở khí T cao.

33. Các pp làm mát buồng đốt Tua bin khí • Các bộ đốt được làm mát bằng pp màng mỏng, phun lạnh trực tiếp, đối lưu, v.v… • Để đạt được hiệu quả làm mát cao, sử dụng các pp khác nhau kể cả việc kết hợp các pp.

34. Tỷ lệ nhiên liệu-kk trong buồng đốt • Hỗn hợp khí cháy khi tỉ lệ trộn nhiên liệu và kk chính xác trong 1 phạm vi giới hạn. • Giới hạn trên và giới hạn dưới của phạm vi đó được gọi là giới hạn cháy • T hỗn hợp khí trong phạm vi giới hạn cháy được tăng lên, hỗn hợp khí tự bắt lửa và sự cháy bắt đầu • Khi khởi động tbk, nhiệt tại chỗ có được là do tia lửa điện và tbk được đánh lửa.

35. PP đốt trong buồng đốt • Có 2 pp đốt trong tbk là: đốt khuyếch tán và đốt trộn trước. • Đốt khuếch tán là pp đốt trong đó nhiên liệu và kk được đốt trong qt trộn. • Đốt trộn trước là pp đốt mà nhiên liệu và kk được trộn trước khi phun vào buồng đốt.

36. PP duy trì ngọn lửa trong buồng đốt • Duy trì ngọn lửa là yếu tố cần thiết để ngọn lửa ổn định trong dòng hỗn hợp trộn trước hoặc làm cho sự cháy liên tục ổn định. • Có 3 pp duy trì ngọn lửa: • Pp dùng bộ ổn định ngọn lửa (duy trì ngọn lửa) • Pp tạo xoáy • Pp dùng vòi phun dòng ngược.

37. Tua bin khí • Tbk là khối sinh công có ích hoạt động theo nguyên tắc biến nội năng và động năng của dòng khí nóng P và vận tốc cao thành cơ năng có ích dưới dạng M quay cánh tb: • Tại cánh tb dòng khí nóng giãn nở sinh công. • Các cánh tb khác với cánh mng ở hình dạng thiết diện rãnh khí • Tb: là thiết diện hội tụ: vận tốc tương đối trong rãnh khí tăng lên làm giảm P,T kk.

38. Tua bin khí • Tbk gồm: • Vỏ gắn các cánh tĩnh • Trục có gắn các cánh động. • Các bộ phận khác. • 1 tầng cánh gồm 1 tầng cánh tĩnh và 1 tầng cánh động. • Tb có 1 hay nhiều tầng cánh tùy thuộc vào cs cũng như nct.

39. Vỏ Tua bin khí • Vỏ Tbk đóng vai trò định vị vành chèn và cánh tĩnh theo chiều dọc trục và chiều hướng kính. • Để chống biến dạng vỏ tbk do dòng khí T cao chảy bên trong vỏ được làm mát bằng cách trích kk từ mng và được phủ thêm lớp chống nhiệt.

40. Roto Tua bin khí • Tbk gồm trục trước và trục sau, xuyên suốt từ tầng 1 cuối của vành cánh, và các cánh động. • Các vành cánh được xiết chặt và cố định bằng các bu lông nối. • Bên trong rotor được tạo ra 1 khoảng trống, được sử dụng để kk làm mát đi qua. • Vành là bộ phận cấu thành chính của rôto, chịu được T cao, độ bền, và bền mỏi. • Các cánh động được gắn trên vành.

41. Cánh Tua bin khí • Cánh tb gồm các cánh động và tĩnh. • Các cánh tĩnh được lắp trên các vành cánh tĩnh, gắn trên vỏ trong tb, và cánh động được lắp trực tiếp trên trục rotor tb. • Sự chuyển đổi năng lượng nhiệt thành cơ năng xảy ra trong cánh tb. • Khí cháy nóng từ buồng đốt dẫn qua cánh tb, tại đây khí giãn nỡ và ép lên các cánh động. • Tác động này làm rotor quay, đồng thời truyền chuyển động tới rotor mng và rotor mpd.

42. Cánh tĩnh Tua bin khí • Cánh tĩnh được làm rỗng, và bố trí nhiều lỗ để phun kk ra làm mát vật liệu nền cánh tĩnh (làm mát tác động trực tiếp). • Kk sau khi làm mát tác động trực tiếp có dạng màng khí mỏng bao quanh cánh tĩnh khi nó thải T cao ra bề mặt ngoài của cánh tĩnh (làm mát màng mỏng) để ngăn ngừa tiếp xúc trực tiếp với khí T cao.

43. Cánh động Tua bin khí • Hoạt động của cánh động như là của tb hơi, nhưng kể từ khi khởi động nó hoạt động trong đk T cao hơn rất nhiều so với tb hơi • cánh động của tbk có những điểm đặc biệt riêng về vật liệu chế tạo và sự làm mát. • Đối với vl chế tao cánh động, hợp kim cao cấp nền Ni-ken với độ bền nhiệt cao nhất được sử dụng.

44. Hệ thống thấp áp- cao áp • Tb cũng được chia thành 2 khối: • tb cao áp (các tầng phía trước) • và tb hạ áp (các tầng phía sau) • tb hạ áp kéo mng hạ áp • tb cao áp kéo mng cao áp. • 2 khối mng-tb này quay theo các vận tốc góc khác nhau, chúng là 2 hệ trục đồng trục: • trục cao áp bên ngoài và trục thấp áp bên trong.

45. Các đời Tua bin khí

46. Tua bin khí

47. Tua bin khí hỗn hợp

48. Tua bin khí hỗn hợp • Chu trình hỗn hợp là ct sử dụng cả ST và GT. • Chu trình tận dụng T khói thải của GT, khói thải có T tới 600oC, làm nhiệt lượng cung cấp cho HRSG. • HRSG cung cấp hơi siêu nhiệt để quay TB hơi. • Khí thải ra khỏi HRSG khoảng 100oC, như vậy hiệu suất nhiệt của toàn ct được nâng cao đáng kể.

49. Tua bin khí hỗn hợp • Thiết bị cơ nhiệt trong nmd chu trình hỗn hợp chia thành ba phần chính: • tuabin khí, • lò thu hồi nhiệt • tuabin hơi.

50. Tua bin khí hỗn hợp • Nếu không cho khói thải qua lò thu hồi nhiệt (đi qua cửa tắt) thì chu trình trở lại là chu trình đơn. • Lò hơi thu hồi nhiệt thải là thiết bị dùng để thu hồi nhiệt thải ra của GT. • Vì thế nó không có phần sinh nhiệt (buồng đốt) mà chỉ có phần hấp thu nhiệt.