Báo cáo Tuabin hơi

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰCBỘ MÔN NHIỆT – ĐIỆN LẠNH Báo cáo : TUABIN HƠI GVHD : Thầy LÊ MINH NHỰT NHÓM : 5 Nhóm thực hiện gồm: 1. Hồ Đình Công 04113006 2. Lê Tiến Dũng 04113011 3. Ngô Thị Minh Hiếu 04113015 4. Nguyễn Thành Hiếu 04113016 5. Lê Đỗ Hữu Hòa 04113018 6. Nguyễn Văn Hoài 04113019 7. Võ Minh Huyền 04113021 8. Lê Văn Cảnh 04113004 9. Đinh Hoàng Việt 04113072 10. Võ Tấn Bình 04113002 7.1 Giới thiệu về tuabin hơi Gồm các phần sau: - Khái quát, quá trình hình thành - Quá trình chuyển hóa năng lượng - Các giai đoạn phát triển - Các kiểu trích hơi 7.1 GIỚI THIỆU VỀ TUABIN HƠI a. - Tua bin là động cơ chính trong việc chuyển hoá năng lượng của hơi áp suất cao nhiệt độ cao (được cung cấp bởi thiết bị sinh hơi trong nhà máy nhiệt điện)biến thành công trên trục và dòng hơi thải áp suất thấp được đưa vào bình ngưng. - Nhà phát minh Hy Lạp (hero of alexandria) đã xây dựng mẫu thử đầu tiên của tua bin hơi nước đầu tiên vào năm 120 trước CN, nó hoạt động dựa trên phản ứng nguyên lý. GIỚI THIỆU VỀ TUABIN HƠI(tt) GIỚI THIỆU VỀ TUABIN HƠI(tt) b. Quá trình chuyển hóa năng lượng c. Các giai đoạn phát triển * Vào năm 1878 một kỹ sư người Thụy Điển tên là Carl Gustan patrik de lavan (1845-1913) đã phát triển tua bin xung lực dùng vào việc tách kem từ sữa, nó có sử dụng ống siêu âm, chính điều này đã làm cho tuabin đạt được tốc độ khá cao = 100.000 vòng /phút. Các giai đoạn phát triển(tt) Tại Pháp Auguste Rateau (1863-1953) đã làm thí nghiệm với tua bin Laval vào năm 1894. Phát triển tua bin xung lực áp suất hỗn hợp vào năm 1900 và cũng vào năm này ông đã cho ra đời tua bin xung lực đầu tiên với công suất 735 W. Tại Mỹ Charles G Curtis (1850-1953) có bằng sáng chế vào năm 1986 cho bộ hỗn hợp vận tốc của tuabin tương tự như tua bin LaVal nhưng với công nghệ cao hơn. Các giai đoạn phát triển(tt) Ở Anh Charles A, Parsons (1854-1953). Vào năm 1884 ông đã chế tạo tuabin phản lực hướng trục nhiều tầng cánh, sử dụng cánh làm bằng đồng d.Các kiểu trích hơi Các kiểu trích hơi(tt) Tuabin có thể được ngưng hơi hay không ngưng hơi là phụ thuộc vào áp suất đầu ra thấp hay ngang với áp suất khí quyển(Hình 7.1b) Đối với thiết bị nhỏ không có thiết bị hồi nhiệt, tuabin hơi có thể là sự kết hợp của nhiều tuabin đơn. Khi hơi giãn nở qua tuabin được thải cho giàn ngưng hay tiếp tục cho quá trình khác ( Hình 7.1b A và B ) Các kiểu trích hơi(tt) Các kiểu trích hơi(tt) Đối với thiết bị lớn không có bộ phận hồi nhiệt thì hơi có thể được giãn nở xuyên qua tuabin đầu tiên sau đó thải qua một tuabin khác. Những tuabin sau có thể thải cho bình ngưng hay cho quá trình khác. Các kiểu trích hơi(tt) Đối với chu trình có thiết bị hồi nhiệt , hơi từ lò hơi dẫn tới tuabin và tại đó hơi giãn nở và thải trở về lò hơi để tiếp tục quá trình đun. Hơi nước hồi nhiệt từ lò hơi chảy đến tầng trung áp hoặc tầng tua bin hồi nhiệt. Ở đó nó được giãn nở và thải vào ống phân phối hơi cung cấp hơi cho tua bin thấp áp dòng kép. Hơi giãn nở qua tuabin thấp áp và thải cho thiết bị ngưng tụ. Các kiểu trích hơi(tt) Các kiểu trích hơi(tt) Chu trình hai lần hồi nhiệt, hơi được hồi nhiệt hai lần và cung cấp cho 4 tua bin đó là HP, IP, tuabin thấp áp và tuabin hồi nhiệt dòng kép. Các kiểu trích hơi(tt) Các kiểu trích hơi(tt) Các kiểu trích hơi(tt) Tua bin có bộ phận trích hơi trung gian. Hơi được trích để gia nhiệt cho nước. Sự trích hơi này cho hiệu suất cao hơn mà không cần phải cố gắng điều chỉnh áp suất. Các kiểu trích hơi(tt) Các kiểu trích hơi(tt) Tua bin ghép ngang đặc thù gồm có HP và IP hoat động ở tốc độ 3600 vòng/phút ( cho tần số 60 Hz và một đôi lưỡng cực (120 x 60)/2 = 3600v/p) điều khiển một máy phát điện.Tua bin thấp áp hoạt động ở tốc độ thấp cho phép sử dụng cánh động tầng cuối tuabin dài hơn với hơi có độ ẩm cao và tổn hao ít, kết quả hiệu suất tuabin hơi cao. Hệ thống tuabin ghép ngang loại có công suất 1300MW với hai trục dịnh hướng làm việc với tốc độ 3600 v/p. 7.2 DÒNG TRONG ỐNGPHUN Gồm các phần 7.2.1 Vận tốc của xung áp trong dòng môi chất 7.2.2 Vận tốc âm thanh của khí lí tưởng 7.2.3 Tính trì trệ của hơi 7.2.4 Ống cho dòng hạ và siêu âm 7.2.5 Tỉ số áp suất tới hạn 7.2.6 Dòng trong ống phun 7.2.7 Hiệu suất ống phun 7.2.8 Kiểu ống 7.2.9 Dòng chảy trong ống 7.2.10 Điều kiện vận hành 7.2 DÒNG TRONG ỐNG PHUN 7.2.1 Vận tốc của xung áp trong dòng lưu chất: 7.2.2 Vận tốc âm thanh của khí lý tưởng Số Mach (M) .M được định nghĩa là tỉ số giữa vậntốc thực và vận tốc siêu âm c,M=V/c Khi M > 1 thì dòng được gọi là dòng siêu âm , M 90 Vận tốc biên trung bình của các cánh, còn được gọi là vận tốc trung bình của cánh, được cho bởi công thức: = :đường kính trung bình của bánh động N: tốc độ quay (vòng/phút) Tiết diện dòng hơi hay tiết diện cánh có hình vành khăn được tình theo công thức :  ηsimple impulse > η2-row Curtis Hình 7.34 Sự thay đổi hiệu suất đối với tỉ lệ vận tốc Số tầng cần thiết có thể ước lượng từ công thức: Với Δhs : độ giảm enthanpy Sự sắp xếp các tầng cho một turbine 15 tầng được viết như sau: Với N: vòi phun, MB: cánh động, GB: cánh dẫn động, FB: cánh tĩnh 7.3.3 Sự thay đổi vận tốc dọc theo cánh quạt dài: Trong vùng áp suất thấp, những cánh dài thì khá lớn.Vận tốc tại chân cánh [(ЛDrootN)/60] sẽ nhỏ hơn nhiều so với ở điểm giữa vẫn còn nhỏ hơn so với tại đỉnh cánh [(ЛDtipN)/60]. Vì vậy, để đạt hiệu suất cao, góc đặt cánh phải thay đổi với đường kính (hình 7.37). Vì lý do đó, cánh xoắn được sử dụng trong tầng lớn hơn của turbine. Đường thẳng trong hình 7.37 biễu diễn bán kính của bánh công tác. Đường thẳng đứng giữa đỉnh và chân của bán kính là cánh quạt dài. Hơi vào và ra khỏi cánh với vận tốc V1, V2. Vì Vb tỉ lệ với bán kính, góc β1 sẽ thay đổi cho phù hợp. Biểu đồ vecto tại chân cánh giống như của cánh xung lực, còn tại đỉnh cánh giống như của cánh phản lực. Khi cánh làm việc, VbΔVω là hằng số. 7.3.4 Vòi phun và cánh quạt dài: Khoảng cách cho dòng chảy đi qua của miệng vòi phun được ước lượng như sau: Với O= chiều rộng của dòng chảy ở cửa ra tại chiều cao trung bình của vòi phun, và hn= chiều cao của vòi phun. Số vòi phun là z, được tính như sau: Vùng vòi phun tổng cộng: hay với ktn là hệ số chiều dày vòi phun. Từ phương trình liên tục, ta thấy: hay Để đạt được kết quả mong muốn, có thể xem ktn= ktb, nên: Mặt dù công thức (7.89) chỉ qua rằng lối vào tại cánh quạt dài bằng lối ra tại vòi phun dài, nhưng thông thường thì lối vào tại cánh quạt được tăng lên một chút, có tác dụng ngăn ngừa sự rò rỉ của dòng môi chất phát ra từ vòi phun. Sự gia tăng ở chiều cao lối vào cánh được gọi là “over lap” và có giá trị bằng nhau tại chân và tại đỉnh cánh. hb cao hơn hn 1.6mm ở những tầng áp suất cao và hơn 20mm ở tầng có áp suất thấp của những turbine lớn, như vậy over lap có giá trị thay đổi từ 1.6mm đến 20mm. 1. Tầng đầu tiên của vòi phun và cánh: Từ phương trình liên tục, vùng cần thiết của vòi phun để cho dòng chảy đạt vận tốc ωs được cho bởi Khi hơi có áp suất cao, V1 nhỏ và V1= Vb/cosα đối với cánh phản lực 50%, và V1= 2Vb/cosα đối với cánh xung lực nếu những cánh làm việc với hiệu suất lớn nhất. Do đó, tại tầng đầu tiên của turbine, diện tích dòng chảy cần thiết (An) nhỏ. Thực tế: với Dm được tính từ giá trị của . Vì An nhỏ và được tính từ α và ktn, giá trị của hn luôn quá nhỏ để chế tạo Hơn nữa, cánh theo sau vòi phun dĩ nhiên là rất ngắn, lại khó chế tạo. Cánh ngắn như vậy hiệu suất cũng thấp. Thích hợp sử dụng một chiều cao tối thiểu 20 mm cho cánh ban đầu. Vì vậy, chiều dài của vòi phun ở tầng đầu tiên không thể dài hơn 20mm, hay: Nếu vòi phun hình nón, thì đường kính của mỗi vòi phun cũng rất nhỏ. Thực nghiệm chứng minh rằng hiệu suất của vòi phun đường kính nhỏ thì nhỏ hơn hiệu suất của vòi phun đường kính lớn. Chiều cao cần thiết của vòi phun hn cho 1 dòng chảy đã cho ít hơn nhiều. Do đó, với x là 1 phần nhỏ của tổng cung tròn của vòi phun mở ra cho dòng chảy của hơi. Nó được gọi là bộ phận cấp hơi. Một vài vòi phun trong cung tròn được cố định bởi mặt sàn hình 7.39. hình 7.39 cung cấp một bộ phận của hơi ở tầng đầu tiên Do đó, bởi việc tăng sự đánh giá hn tới cực tiểu có thể bỏ qua (~ 20 mm) và đồng thời một phần của mặt sàn của chu vi của màng chắn vòi phun, vùng yêu cầu của dòng chảy (An) cho một dòng hơi nhất định tại điều kiện đã cho thu được. Để cung cấp đầy đủ, toàn bộ cung hay chu vi của màng chắn vòi phun (ЛDm) mở ra cho dòng hơi đi vào. Để cung cấp một bộ phận, cung hay chu vi mở cho dòng hơi đi vào là (xЛDm), với x nhỏ hơn đồng nhất. Với cung cấp một bộ phận, cánh đi qua sẽ không luôn luôn nhận được dòng hơi từ vòi phun. Do đó, khi tiếp xúc xen kẽ những dòng chảy của hơi nước với vận tốc cao, những cánh phải chịu sự dao động mà có thể gây nguy hiểm nhất là đối với những cánh dài. 2.Tầng cuối cùng cánh dài: Tầng cuối thì rất quan trọng trong thiết kế turbine hơi. Khi mà áp suất hơi giảm trong suốt quá trình giản nở, thể tích riêng tăng lên. Thể tích dòng hơi tăng lên cần phải tăng vùng dòng chảy. Do đó, hb và Dm tăng với sự giảm của áp suất. Ở tầng cuối cùng, áp suất là nhỏ nhất, và vì thế hb và Dm có giá trị lớn nhất. Những cánh được giữ tại một đoạn cuối với rotor trong khi những đoạn cuối khác thì tự do. Vì thế chúng giữ vai trò như những trụ đỡ tải trọng phân bố của hơi lên chúng. Chúng phụ thuộc vào những ứng suất uốn. Vì chúng quay ở tốc độ cao, nên chúng cũng phụ thuộc vào ứng suất ly tâm. Khi chiều cao cánh tăng, thì ứng suất uốn và ứng suất ly tâm cũng tăng. Vì những ứng suất này, nên chiều cao và đường kính của cánh bị hạn chế. Vận tốc cực đại của cánh bị cũng giới hạn phụ thuộc vào vật chất làm cánh, chỉ khoảng 350-400 m/s. Số vòng quay trong 1 phút của rotor thì cố định từ cạnh máy phát. Cho 2 cực tầng số 50 Hz, Đối với cánh thẳng, chiều cao tối đa của cánh khoảng 20% của đường kính vòng cánh trung bình. hay, Ta cần vượt hơn tỉ lệ này bởi vì những yêu cầu của dòng chảy, những cánh có thể có hình dạng nón hay xoắn, do đó giảm bớt cả lực uốn và cả ứng suất ly tâm. Với những sự cải biến này, chiều cao của cánh có thể đạt 30% của đường kính vòng cánh trung bình. Vì vậy, đối với cánh xoắn hay cánh hình nón thì, Vùng chảy của hơi (Ab) cũng có thể tăng lên vì góc của cánh tăng, tương tự góc α của vòi phun cũng tăng. Tuy nhiên hiệu suất cánh có thể giảm đi. Bằng cách giảm bớt số vòng quay trong 1 phút, thì hb và Dm có thể tăng lên. Nhưng cũng sẽ tăng khối lượng và kích thước của rotor đồng nghĩa với việc tăng giá thành. Vì vậy nó không đáng. Khi cánh quạt dài trở thành một bộ phận của đường kính tầng tổng, thì tỉ lệ của hơi làm cho vận tốc của cánh thay đổi dọc theo chiều dài của cánh. Hình 7.41 biểu diễn sơ đồ vận tốc tại chân và đỉnh của cánh xoắn nhận được dòng hơi chuyển động trong dòng chảy xoáy (V1r1=V2r2). Chân cánh được thiết kế cho dòng chảy xung lực, còn đỉnh cánh được đặt vào phản lực. 7.3.4) Sắp xếp hệ thống máy : Hệ thống máy được bố trí như sau nếu n=4: (tuabin hơi tiếp đôi hỗn hợp) (n=3) Tuabin hơi tiếp đôi hỗn hợp 7.3.5 Tổn thất trong tuabin hơi: Luôn có tổn thất trong suốt quá trình vận hành của tuabin, được chia thành hai nhóm: Tổn thất trong: liên quan tới dòng chảy của hơi. Tổn thất ngoài: xuất hiện bên ngoài vỏ tuabin. Tổn thất do ma sát ở các đĩa. Tổn thất nạp riêng phần. Tổn thất do rò rỉ ở các nắp đệm. Tổn thất do sự tăng tốc. Tổn thất do thất thoát ra ngoài Tổn thất ở van điều chỉnh. Tổn thất do ma sát ở vòi phun. Tổn thất do ma sát ở các cánh động TỔN THẤT. TRONG TỔN THẤT TRONG 7.3.6 Hệ số hồi nhiệt và đường trạng thái: Quá trình giãn nở trong tuabin bốn tầng, đánh giá hiệu quả của hồi nhiệt. Hoạt động cánh tuabin(tt) - 7.3.7 Thiết kế của tuabin nhiều tầng - 7.3.8 Phân phối và điều chỉnh tuabin - 7.3.9 Cân bằng piston - 7.3.11 Ứng suất cánh động - 7.3.12 Lắp đặtcánh động - 7.3.13 Vòng bao cánh động - 7.3.14 Vành đai liên kết các lá động 7.3.7 Thiết kế của Tuabin nhiều tầng Là sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tế Tầng Curtis Tầng tốc độ Sự bành trướng(giãn nở ) của hơi quyết định kết cấu của tuabin: - Các tầng cuối lớn - Đường kính cánh động tăng Thông thường việc thiết kế bắt đầu từ bình ngưng, tầng đầu, thứ hai, tầng cuối và tầng trung gian là sau cùng 7.3.8 Phân phối hơivà điều chỉnh tuabin Điều chỉnh tuabin: - Các phương pháp - Nguyên lý và phạm vi ứng dụng Phân phối hơi: a.Điều chỉnh tuabin Nhiệm vụ của điều chỉnh tốc độ là tự động phục hồi đẳng thức: MT = MC Bộ phận để điều chỉnh số vòng quay của tuabin gọi là Bộ điều tốc Trực tiếp Gián tiếp Bộ điều tốc hoạt động trên cơ sở tác dụng của lực ly tâm, mà nó sẽ thay đổi tương ứng với số vòng quay của trục tuabin. Bộ điều tốc ly tâm ( trực tiếp) 1.Quả văng 2. Khớp trượt 3. Đòn bẫy 4. Thanh truyền 5. Van chính 7. Bánh răng 8. Trục quay 9. Tuabin Bộ điều tốc ly tâm(tt) Ưu điểm: Đơn giản Nhược điểm: - Lực điều chỉnh bé - Chỉ áp dụng cho tuabin có công suất không lớn(50-60kW) với các xupap nhỏ Bộ điều tốc Servo (gián tiếp) 1. Bộ điều chỉnh ly tâm 2. Khớp trượt 3. Bánh răng 4. Bơm dầu 5. Ngăn phân phối 6. Piston 7. Bộ Servo 8. Piston của Servo 9. Xupap 10. Tuabin Bộ điều tốc Servo(tt) Nguyên lý hoạt động dựa trên tính tỉ lệ giữa áp suất dầu tạo nên với bình phương số vòng quay của trục tuabin Thông thường áp suất dầu chấp nhận ở 2-7 bar Khắc phục nhược điểm của Bộ điều tốc ly tâm: - Không có cơ cấu tay đòn nên tránh được ma sát và độ rơ Dùng trong tuabin công suất trung bình và lớn, muốn mở xupap cần lực lớn b.Phân phối hơi vào tuabin Gồm Phân phối bằngvan tiết lưu Phân phối bằng ống phun Phương pháp rẽ nhánh Mục đích - Đảm bảo đẳng thức MT=MC - Ổn định tốc độ quay Tần số điện Dùng van tiết lưu Dùng van tiết lưu(tt) Dùng để điều chỉnh với tải thấp và qui định Nhiệt giáng thay đổi từ (h1- h2s) (h3- h4s) Tiết lưu tăng vì phụ tải càng thấp thì độ mở càng nhỏ Nhiệt giáng giảm Công suất tuabin giảm Đối với tuabin nhỏ thì van có thể vận hành bằng Phân phối hơi bằng ống phun Điều chỉnh ống phun(tt) Số ống phun làm việc phụ thuộc vào tải: khi phụ tải giảm một số van đóng lại và tương ứng là số ống phun không hoạt động Cơ cấu phức tạp, điều chỉnh khó khăn Mỗi van được nối với một cụm ống phun Trong các nhà máy điện tuabin có phân phối hơi bằng ống phun được sử dụng rộng rãi Phương pháp rẽ nhánh – By pass Phương pháp rẽ nhánh – By pass Sự phân phối hơi By-pass thường được áp dụng cùng với phân phối bằng van tiết lưu Sử dụng để đáp ứng yêu cầu công suất sinh ra cao hơn so với chế độ định mức 7.3.10 Cân bằng piston lực xô đẩy trục sinh ra là T = (p1-p2)A - Với A là biên dạng hình vòng của cánh động Để cân bằng lực đẩy, một số tầng được chế tạo với kích cỡ trục khác nhau ( tương tự như trục tuabin kép thấp áp ), được thiết kế saocho các lực hướng trục triệt tiêu nhau. Những tầng này được gọi là tầng cân bằng piston. 7.3.10 Cân bằng piston 7.3.11 Ứng suất cánh động Ứng suất mãnh liệt sinh ra bởi lực ly tâm vì tốc độ quay của trục tuabin Ứng suất cong cũng sinh ra bởi lực ly tâm, áp suất dòng hơi, và dao động của trục tuabin. Tính theo công thức: Sc= 7.3.11 Ứng suất cánh động(tt) Ở những nơi nào có ứng suất ly tâm thì cánh động sẽ được gia cường chiều rộng và chiều dày. Xung lực cánh động là thông số uốn cong sinh ra từ ứng suất ly tâm và lực tiếp tuyến xuất hiện bởi dòng hơi vào cánh động Tổng ứng suất tại một điểm nào đó trên cánh động của tuabin có thể tính bằng tổng ứng suất ly tâm tại điểm có ứng suất cong. 7.3.11 Ứng suất cánh động(tt) 7.3.12 Lắp đặt cánh động Phải có thể chống lại lực ly tâm và ứng suất cong mà cánh động có thể tạo ra.Nếu cánh động lắp vào đĩa hay tang trống một cách lỏng lẻo thì cánh động sẽ mất cân bằng và dao động Phá huỷ toàn bộ dãy cánh động 7.3.13 Vòng bao cánh động 7.3.13 Vòng bao cánh động(tt) Làm cho dãy cánh động cứng hơn và ngăn cản sự đổ ra của hơi trên đỉnh cánh Vòng bao cánh động có lợi trong cánh động xung lực ở áp suất cao Đối với cánh động ngắn, thì vòng bao phải được dùng để điều khiển hiệu quả hơn để khắc phục rò rỉ và ứng suất cong ở trục tuabin. 7.3.14 Đai liên kết cánh động Nếu vòng bao không được sử dụng cho cánh động dài thì vòng đai liên kết phải được dùng trong trường hợp này thì phải sử dụng để liên kết và làm cho các cánh động chắc chắn hơn. Nó hạn chế dao động của cánh động dài trong tầng thấp áp của tuabin. 7.3.14 Đai liên kết cánh động(tt) 7.3.15 Tốc độ tới hạn Mặc dù tất cả các vấn đề được quan tâm trong cấu trúc và cân bằng của trục và đĩa quay tuabin, nhưng vì lí do nào đó mà trọng lượng của rôto không trùng với cấu tạo hình học của trục quay và khoảng cách giữa chúng gọi là độ lệch tâm. Trong suốt quá trình quay của trục, một lượng nhỏ độ lệch tâm tăng lên và lực dọc trục giảm , khi đó sẽ làm cho trục quay bị võng xuống. y là độ võng của roto (mm). M : khối lượng roto (kg). ω là vận tốc góc (rad/s). Nếu F là độ cứng của trục quay thì lực làm cho trục quay võng xuống 1 mm đó chính là lực cân bằng: FC=Fy . Nếu thì y= ∞ suy ra . Khi đó tốc độ quay đạt tốc độ tới hạn: . Suy ra :với m là khối lượng roto (kg). 1. NHỮNG TỐC ĐỘ TỚI HẠN KHÁC Hình 7.68 Hình dạng của trục quay ở vận tốc tới hạn thứ 1, 2, 3, 4. 7.3.16. Bánh xoay. Hình 7.69 Cơ cấu bánh răng điều chỉnh vận tốc lúc khởi động và lúc dừng tua bin.(1): Bánh răng giảm tốc. 7.4 BỘ PHẬN SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG (I) Roto và stato stato Roto Hình 7.70 Đường lực từ trong máy phát điện. 1: Vùng chứa không khí. 2: Lổi stator. (II)Các loại công suất của máy phát điện Hệ số công suất: cosθ Công suất thực (kW), kVAR là công suất phản kháng, kVA công suất biểu kiến. Tổng công suất phát ra của máy phát điện. kVA = ((kW)2+(kVAR)2)1/2 Một số hình ảnh về tuabin - máy phát điện