Chương II Turbine

CHƯƠNG IITURBINE Chương 2II.1 Phân loại tua bin Trong phần I về lý thuyết tua bin đã trình bày về hai loại tua bin cơ bản là xung lực và phản lực. Các loại tua bin xung lực và tua bin phản lực có thể được phân loại kỹ hơn thành nhiều loại. Để hiểu thêm về tua bin, cần phải phân loại tua bin theo đặc tính của chúng. Mỗi trong năm loại đặc tính sau được ứng dụng cho cả tua bin xung lực và phản lực. Những đặc tính đó là : - Ngưng tụ và không ngưng tụ (condensing vs. noncondensing) - Trích hơi và không trích hơi (extraction vs. nonextractrion) - Gia nhiệt và không gia nhiệt (reheat vs. nonreheat) - Tuabin một vỏ (casing) và nhiều vỏ - Các đường hơi thoát (Exhaust flows) - Tải đỉnh và tải nền (peaking vs.baseload). a)Tua bin có ngưng tụ và không ngưng tụ Một đặc tính để phân loại tua bin là ngưng tụ hoặc không ngưng tụ. Trong tua bin ngưng tụ thì hơi thoát vào bình ngưng (condenser). Hình 2-1:Turbine có ngưng tụ Bình ngưng cơ bản là một bình lớn, kín hơi bằng kim loại có nhiều ống có mang nước lạnh đi qua. Khi hơi thoát tiếp xúc với các ống (mang nước) lạnh, hơi sẽ bị ngưng thành nước. Ưu điểm của sự bố trí này là nước ngưng có thể trở về lò và được tái sử dụng. Do có quá trình ngưng hơi mà áp suất và nhiệt độ của hơi thoát của tuabin có thể rất thấp, vì vậy tuabin sử dụng tối đa nhiệt năng của hơi và làm cho nhà máy điện hiệu quả hơn. Hầu hết các tuabin lớn đều thiết kế kiểu này. Trong tua bin không có bình ngưng thì hơi thoát không bị ngưng tụ. Hơi có thể thoát vào khí quyển hoặc sử dụng trong nhưng mục đích khác như để sưởi các toà nhà, chung cư, vv. Trong tuabin không có bình ngưng thì áp suất hơi thoát lớn hơn áp suất khí quyển, nó được gọi là áp suất ngược. Những tua bin loại này thường thấy trong các nhà máy điện nhỏ và cũ hơn. b) Tua bin có trích hơi và không trích hơi. Cách thứ hai là tua bin có thể phân loại do có trích hơi và không trích hơi. Một tuabin có trích hơi là loại tuabin được thiết kế nhiều tầng cánh, khi đó hơi được thoát ra hoặc trích ra tại giữa các tầng cánh tại điểm trích hơi. Hơi trích ra này có thể dùng để gia nhiệt nước cấp hoặc để sưởi các toà nhà. Hình 2-2: Tuabin có hoàn nhiệt Các loại tua bin có trích hơn có thể được phân loại là tua bin trích hơi tự động và không tự động. áp suất hơi của bất kỳ tầng cánh nào của tua bin nhiều tầng cánh được xác định bởi lưu lượng hoặc tải. Trong tua bin có trích hơi đơn giản, không thể điều khiển được áp suất hoặc lượng hơi trích vì do áp suất và lượng hơi trích chỉ thay đổi theo tải của tua bin. Trong tua bin trích hơi tự động, các van được dùng tại các điểm trích hơi để điều khiển áp suất và lưu lượng hơi. Loại tua bin không trích hơi thì hơi không thoát ra ở giữa các tầng cánh mà tất cả hơi đều thoát ra tại ống thoát. Hầu hết tất cả các tua bin lớn đều là loại trích hơi đơn giản, vì hầu hết toàn bộ nhiệt trong hơi trích đều tái sử dụng, hoặc hoàn nhiệt, hoặc để gia nhiệt nước cấp, những tua bin này thường được xem như loại tua bin có hoàn nhiệt (regenerative tua bin) c) Tua bin có gia nhiệt và không gia nhiệt. Cách thứ ba để phân loại tua bin là gia nhiệt (reheat) và không gia nhiệt (nonreheat). Tua bin có gia nhiệt là tua bin nhiều tầng cánh trong đó hơi trực tiếp từ một số tầng cánh giữa trở ngược về lò. Tại lò, hơi được gia nhiệt, sau đó theo đường ống trở về tua bin. Một số tua bin lớn, hơi trở về lò được gia nhiệt lần thứ hai, loại này gọi là tua bin hai lần gia nhiệt. Có hai ưu điểm trong việc gia nhiệt hơi là : - làm cho nhà máy điện thêm hiệu quả nhiệt động lực và - làm chậm việc bắt đầu ngưng tụ hơi trong turbine. Hình 2-3: Tua bin có gia nhiệt (Reheated tua bin) Đối với một tua bin có gia nhiệt có các phần cao áp và trung áp cùng nằm trong một vỏ tua bin (casing), điều quan trọng là sai biệt không lớn giữa nhiệt độ hơi chính và hơi tái gia nhiệt. Sự sai biệt nhiệt độ cho phép tối đa giữa nhiệt độ hơi chính và hơi tái gia nhiệt đã được quy định, nếu vượt quá quy định đó thì sẽ xảy ra sốc nhiệt dữ dội lên vỏ tua bin và rotor. Hầu hết các tua bin lớn đều ứng dụng tái gia nhiệt. Hầu hết chỉ có một tầng cánh ứng dụng gia nhiệt, tuy nhiên cũng có một số tua bin lớn có hai tầng tái gia nhiệt. Hình 2-4: Tua bin có hoàn nhiệt và gia nhiệt. (Regeneration and Reheat Tua bin) d) Tua bin một casing và tuabin nhiều casing. Cách khác để phân loại tua bin là tua bin một casing và nhiều casing. Tua bin một casing là tua bin có tất cả các tầng cánh đều nằm trong một casing (xem hình 2-5a). Do tua bin ngày càng được thiết kế lớn hơn nên tất cả các tầng cánh đều nằm trong một casing là không thực tiễn. Vì vậy phải chia làm hai hoặc nhiều casing. Gọi là tua bin nhiều casing. Có hai loại tua bin nhiều casing đó là tandem-compound và cross-compound. (Hình 2-5b) Tandem-compound tua bin : các phần tua bin đồng trục và có hai phần khác nhau. Loại tua bin lớn và hiện đại có thể có tới 5 phần riêng biệt. (Hình 2-5c) Cross-compound tuabin : các phần khác nhau của tua bin không đồng trục. Đối với nhà máy điện thì phải có hai máy phát riêng khác nhau. Điều này có ưu điểm đối với loại tua bin máy phát có công suất rất lớn vì việc chế tạo, và vận chuyển hai cục máy phát dễ hơn làm một cục rất lớn. Một số tua bin loại cross-compound có từ hai phần trở lên trên một trục. Hình 2-5: Tua bin một casing và tua bin nhiều casing Thường thì hai bộ phận của tua bin (cao áp và trung áp) cùng một rotor thì có dòng hơi đi theo chiều ngược nhau. Thí dụ hơi vào giữa hai phần của tua bin, trước hết sẽ vào phần cao áp sau đó đi ngược trở lại khu vực giữa cao áp và trung áp sau đó đi ngược chiều và qua phần trung áp (xem hình 2-6). Hình 2-6 : Hơi ngược chiều giữa cao áp và trung áp. Hầu hết các tua bin lớn đều có nhiều tầng cánh. Tuy nhiên đối với loại tua bin tandem compound thì ứng dụng đối với loại tua bin cực lớn và hiện đại. e) Dòng hơi thoát:Các loại tua bin có bình ngưng có thể phân loại thêm qua dòng hơi thoát. Loại tua bin ngưng hơi đơn thì tất cả hơi thoát sẽ đi vào bình ngưng. Hình 2-7a : Rotor có hai dòng hơi ngược nhau (Double flow rotor) Hình 2-7b: Tandem -compound double flow rotor Tuy nhiên, phần hạ áp của một tua bin compound lớn sẽ trở nên quá lớn nên phải chia ra thành hai phần trở lên do giới hạn của việc thiết kế. Khi cần phải có hai phần hạ áp thì hai phần đó cùng một trục, lúc đó dòng hơi của hai phần sẽ đối nhau (Hình 2-7a). Bố trí như vậy gọi là phần hai dòng hơi. Tua bin (Hình 2-7b) là một thí dụ loại tua bin tendem-compound, hai dòng hơi. Tua bin nhiều dòng hơi (đến 6 dòng) thì không phổ biến. f) Tua bin tải đỉnh. Năm đặc tính mô tả trên không phải là các đặc tính duy nhất để phân loại tua bin. Có rất nhiều sự khác nhau khác không thể mô tả hết trong tài liệu này được. Một trong những sự thay đổi khác nhau đó khá phổ biến trong thập niên trước và đáng lưu ý là tua bin tải đỉnh. Lượng điện sử dụng cần để phát ra thay đổi tuỳ theo thời gian trong ngày và tùy theo mùa. Mùa Hè thì người ta dùng điện nhiều do chạy máy điều hoà và tải dùng lớn nhất là vào giữa trưa do lúc đó nóng nhất. Việc dùng nhiều điện khác, đặc biệt là các vùng xứ lạnh về mùa Đông chạy các máy sưởi. Dù trường hợp nào thì còng phải có một số tổ máy để dự phòng vì tải khi cao khi thấp. Thậm chí có một số tổ máy ngừng vào buổi tối. Những tổ máy chuyên để dự phòng đó thường sớm hư hỏng do việc lên xuống máy và thay đổi áp suất và nhiệt độ thất thường. Một số nơi dùng những tua bin cũ, nhỏ và kém hiệu qủa hơn để dùng cho dự phòng. Một số nơi thiết kế những tua bin đặc biệt để chuyên dùng cho dự phòng thích hợp hơn. Thông thường các tua bin được thiết kế chuyên dùng cho dự phòng có áp suất và nhiệt độ thấp hơn bình thường, khoảng 1800 psia và 510C. f) Loại tua bin tandem-compound, hai dòng hơi, reheat và ngưng tụ (Tandem-compound, two-flow, reheat, condensing tuabine) (Hình 2-8) chỉ rõ mặt cắt của loại tua bin trên. Loại tua bin này là điển hình hiện nay đang được thiết kế và lắp đặt trong các nhà máy điện lớn. (Hình 2-9) là sơ đồ đơn giản của tua bin. Lưu ý rằng hai phần cao áp và trung áp có dòng hơi ngược nhau. Hơi từ lò đi vào phần cao áp sau khi qua hai bộ van là van chặn (stop valves) và van điều khiển (control valves ). Bộ đầu tiên là các van chặn, bình thường là mở hết (fully opened) khi tua bin reset và đang vận hành. Các van chặn (stop valves) đóng khi tua bin dừng (shutdown). Bộ thứ hai là van điều khiển (control valves), các van này điều chỉnh lưu lượng hơi vào tua bin để điều chỉnh tốc độ hoặc tải. Trên sơ đồ, (hình 2-9) có một van chặn và bốn van điều khiển. Điều quan trọng là phải ngắt đường hơi vào tua bin khi xuống máy, đặc biệt là trường hợp khẩn cấp. Nếu không ngắt đường hơi vào tua bin trong trường hợp ngừng khẩn cấp có thể gây nên sự cố là tốc độ tua bin tăng đột ngột (trong một vài giây) đến mức mà có thể vở tua bin. Hai bộ valves trên bảo đảm rằng trong quá trình tua bin ngừng khẩn cấp, nếu một trong các valves bị sự cố thì còng không gây nên quá tốc độ gây ảnh hưởng tua bin. Hình 2-8a: Tandem-compound, two-flow, reheat, condensing tuabine Hình 2-8b Sau khi hơi đi qua các stop và control valves, hơi sẽ qua các tầng cao áp (thường thì khoảng 6 tầng), sau đó rời tua bin và trở lại lò thông qua đường ống nguội có gia nhiệt. Đối với một tổ máy đầy tải, điều kiện hơi chính áp suất là 2400 psia và nhiệt độ là 538C, điều kiện hơi gia nhiệt lạnh điển hình áp suất 570 psia và nhiệt độ là 343C. Hơi gia nhiệt lạnh trở về lò và được gia nhiệt đến với nhiệt độ bằng nhiệt độ hơi chính, thường khoảng 538C. Hơi đã được gia nhiệt này thường được gọi là hơi gia nhiệt nóng . Hơi gia nhiệt nóng này đi qua hai bộ van liền nhau trước khi vào phần trung áp của tua bin. Mục đích duy nhất của các van này là bảo vệ tua bin khỏi bị vượt tốc trong trường hợp khẩn cấp. Trong vận hành bình thường thì các van này mở hết cỡ (fully opened). Hình 2-9: Sơ đồ đơn giản của tua bin loại TC-F2, gia nhiệt và ngưng hơi Những van này chỉ đóng khi trường hợp vượt tốc khẩn cấp hoặc khi tua bin shutdown. Điều này cần thiết bởi vì mặc dầu đã có các van chặn (stop valves) và van điều khiển (control valves) chúng đóng ngay khi trường hợp vượt tốc xảy ra, vì vẫn còn một lượng hơi đáng kể trong phần cao áp của tua bin, trong phần đường ống hơi gia nhiệt nóng và lạnh, và bản thân của bộ gia nhiệt (reheater) có thể làm cho tua bin vượt tốc. Một lần nữa, hai bộ van bố trí nối tiếp nhau sẽ bảo đảm rằng một trong các van bị hỏng sẽ không gây nên sự cố vượt tốc. Sau khi vào tua bin trung áp, hơi sẽ giãn nở ra và đi qua khoảng 5 đến 7 tầng cánh. Từ phần trung áp hơi sẽ đi qua ống nối (crossover) giữa trung và hạ áp để đến phần hạ áp. Điều kiện hơi thoát ở tầng trung áp này thường khoảng 1500 psia và 371C khi tua bin ở đầy tải và điều kiện hơi chính là 2400psia và 538C. - Phần hạ áp (LP) cho thấy phần hai dòng hơi, nghĩa là hơi được chia làm hai dòng đi qua tua bin theo hai chiều ngược nhau. Điều này có hai lý do : + (1) để giảm đường kính phần hạ áp + (2) để giảm lực dọc trục tác động lên bợ trục tua bin (thrust bearing). - Hơi rời phần hạ áp và thoát vào bình ngưng với áp suất và nhiệt độ thông thường là 1psia và 538C. - Chỉ có một điểm trích hơi được thể hiện trên hình (2-10). Tuy nhiên, thông thường có từ 5 đến 8 điểm trích hơi. Hơi trích thông thường lấy từ khói thoát HP tua bin, phần của IP và LP. Hơi trích có thể dùng để hâm nước cấp, dùng để vận hành bơm nước cấp, các thiết bị phụ khác của tua bin và dùng để sưởi các chung cư (ở xứ lạnh).