Tính toán kiểm tra nhiệt nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp

Lời nói đầu Để đáp ứng tăng trưởng kinh tế cao trong giai đoạn hiện nay củng như đảm bảo an ninh năng lượng cần phát triển mạnh việc sản xuất điện nói chung và các nhà máy nhiệt điện nói riêng Nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp (Combined cycles power plant – CCPP) ra đời trong những năm gần đây, với công nghệ tiến nó đã phát triển nhanh chóng và được chuyển giao khắp thế giới. Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2006 –2015 có xét đến 2025, Chính phủ củng đã ưu tiên phát triển loại nhà máy điện này. Vì vậy cần phải đánh giá một cách toàn diện về Nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp để xây dựng hợp lý và khai thác tối đa hiệu quả của nó. Xuất phát từ yêu cầu đó tôi được giao nhiệm vụ cho đồ án Tốt nghiệp là “ Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp” để đánh giá hiệu suất nhiệt của nó. Bằng nổ lực bản thân cùng với sự hướng dẫn tận tình của TS Trần Thanh Sơn và các Kỹ sư ở các nhà máy điện Cà Mau 1, Phú Mỹ 3, tôi đã hoàn thành đề tài với các phần chính sau: - Chương 1: Khái quát chung - Chương 2: Nguyên lý nhiệt động chu trình hỗn hợp trong nhà máy nhiệt điện - Chương 3: Các thành phần thiết bị chính của nhà máy nhiệt điện CCPP - Chương 4: Tính toán kiểm tra nhiệt nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1 Do thời gian hạn chế, củng như kiến thức còn khiếm khuyết nên không thể tránh khỏi sai sót. Rất mong được sự chỉ dạy, góp ý của thầy cô và các anh chị để tôi ngày một hoàn thiện hơn Lời cuối tôi chân thành cảm ơn thầy Trần Thanh Sơn, cùng các thầy cô giáo trong khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh đã giúp tôi hoàn thành Đồ án này! Đà Nẳng, tháng 5 năm 2008 Sinh viên: Lý Hoàng Minh Chương 1 Giới thiệu chung 1.1 Giới thiệu về điện năng Năng lượng điện ngày càng đóng vai trò quan trọng trên thế giới, là nhu cầu không thể thiếu cho xã hội phát triển. Dựa vào khả năng sản suất và tiêu thụ điện năng mà ta có thể đánh giá được phần nào về sự phát triển của nền công nghiệp nước đó. Điện năng được sản xuất theo nhiều cách khác nhau và tuỳ theo loại năng lượng chuyển hoá thành điện năng mà người ta chia ra các loại nhà máy điện như: Nhà máy nhiệt điện Nhà máy thuỷ điện Nhà máy điện nguyên tử Nhà máy phong điện (dùng sức gió) Nhà máy điện năng lượng mặt trời … Hiện nay phổ biến nhất là nhà máy nhiệt điện ở đó nhiệt năng khi đốt các nhiên liệu hữu cơ như: than, dầu, khí đốt…được biến đổi thành điện năng. Trên thế giới hiện nay 70% lượng điện được sản xuất bởi các nhà máy nhiệt điện. Riêng ở Việt Nam lượng điện năng do các nhà máy nhiệt điện sản xuất ra củng chiếm hơn 55 % lượng điện toàn quốc. nhưng còn phụ thựôc vào nguồn nhiên liệu dự trữ sẵn có, điều kiện kinh tế củng như sự phát triển của khoa học kỹ thuật. Trong những thập kỷ gần đây nhu cầu về nhiên liệu lỏng trong công nghiệp, giao thông vận tải và sinh hợt ngày càng tăng, trong khi trữ lượng các mỏ dầu đang giảm dần. Do đó người ta đã hạn chế dùng nhiên liệu lỏng cho các nhà máy nhiệt điện, mà chủ yếu sủa dụng nhiên liệu rắn và nhiên liệu khí làm những nhiên liệu chính của nhà máy nhiệt điện. 1.2 Phân loại nhà máy nhiệt điện Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu hưu cơ có thể chia ra các loại sau: Phân loại theo nhiên liệu sử dụng: Nhà máy đốt nhiên liệu rắn Nhà máy đốt nhiên liệu lỏng Nhà máy đốt nhiên liệu khí Nhà máy đốt hai hoặc ba laoi nhiên liệu trên (hỗn hợp) Phân loại theo tuabin máy phát: Nhà máy nhiệt điện tuabin hơi Nhà máy nhiệt điện tuabin khí Nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp tuabin khí-hơi Phân loại theo dạng năng lượng được cấp đi: Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi: chỉ sản xuất điện Trung tâm nhiệt điện: cung cấp cả điện và nhiệt Phân loại theo kết cấu công nghệ Nhà máy nhiệt điện kiểu khối Nhà máy nhiệt điện kiểu không khối Phân loại theo tính chất mang tải Nhà máy nhiệt điện phụ tải gốc, có số giờ sử dụng công suất đặt hơn 5.103 giờ Nhà máy nhiệt điện phụ tải giữa, có số giờ sử dụng công suất đặt khoảng (3 – 4).103 giờ Nhà máy nhiệt điện phụ tải đỉnh, có số giờ sử dụng công suất đặt khoảng 1500 giờ 1.3 Khái quát chung về nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp tuabin khí - hơi Các tài liệu khoa học thường đưa ra đề nghị kết hợp hai hay nhiều chu trình nhiệt với nhau trong một nhà máy nhiệt điện, với mục đích làm tăng hiệu suất so với các chu trình đơn. Về mặt lý thuyết hiệu suất nhiệt khi kết hợp các quá trình nhiệt với nhau dù chúng có hoạt động trong cùng điều kiện làm việc hoặc khác nhau hay không. Tuy nhiên sự kết hợp giữa các chu trình có điều kiện làm việc làm việc khác nhau thường được quan tâm nhiều hơn vì thuận lợi của chúng là có thể bổ sung cho nhau. Thông thường các chu trình được đặt ở “đầu” và “cuối” của chu trình chung. “Chu trình đầu” là chu trình đầu tiên mà hầu như nhiệt lượng được cấp ở chu trình này, nhiệt thải của nó sinh ra được sử dụng cho quá trình kế tiếp có nhiệt độ làm việc thấp hơn vì thế có thể gọi là “ chu trình cuối”. Việc chọn lựa hợp lý điều kiện làm việc giúp tạo ra khả năng một chu trình toàn diện với các quá trình nhiệt động tối ưu của nhiệt lượng ở dãi nhiệt độ cao và nhiệt thừa trao đổi ở môi trường mức nhiệt độ thấp nhất có thể có. Thường chu trình đầu và chu trình cuối đi theo cặp trong một bộ (hệ thống) biến đổi nhiệt. Quay trở lại hiện tại chỉ một chu trình hỗn hợp được công nhận rộng rải nhiều nơi đó là nhà máy nhiệt điện hỗn hợp tuabin khí/ tuabin hơi. Bởi vì nhà máy loại này sử dụng được hầu hết các nhiên liệu hóa thạch (đặc biệt là nhiên liệu lỏng hoặc khí). Hình vẽ 1 sơ đồ đơn giản cho việc lắp đặt một hệ thống loại này, trong đó một chu trình mở tuabin khí kèm theo sau bởi một quá trình hơi. Nhiệt thừa từ tuabin khí được dùng để sản sinh hơi cấp cho tuabin hơi. Hình 1.1: Sơ đồ đơn giản hệ thống nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp tuabin khí-hơi 1 – Máy nén 2 – Tuabin khí 3 – Thiết bị sinh hơi 4 – Tuabin hơi 5 - Thiết bị ngưng tụ 6 - Cửa cấp nhiên liệu tuabin khí Những kiểu kết hợp khác có thể được ứng dụng như là quá trình bay hơi thủy ngân, hoặc chu trình bay hơi , hấp thụ nước trong dung môi hấp phụ (dung dịch kim loại Li/Br) hay hơi NH3. Quá trình bay hơi thủy ngân thi không còn ứng dụng nhiều kể từ khi nhà máy nhiệt điện hơi đối lưu đã đạt được hiệu suất cao hơn nó. Môi chất hấp phụ hay hơi amoniac thì có những ưu điểm hơn so với nước ở dải nhiệt độ thấp như thiết bị gọn hơn, không gây ẩm ướt. Tuy nhiên chúng có nhược điểm là vốn đầu tư đắt, ảnh hưởng tới môi trường .v.v. là trở ngại lớn để thay thế cho quá trình hơi trong chu trình hỗn hợp của nhà máy nhiệt điện. Chúng ta đi đến kết luận rằng phương án kết hợp một chu trình mở của tuabin khí với một chu trình nước/hơi thì có hiệu quả nhất. Tất nhiên một số trường hợp áp dụng đặc biệt có thể sử dụng riêng mỗi chu trình tuabin khí trong ngắn hạn. Hai lý do chính để chu trình hỗn hợp tuabin khí/ tuabin hơi dược áp dụng rộng rãi hơn so với các chu trình hỗn hợp khác trong nhà máy nhiệt điện. - Sử dụng chính các thiết bị đã có sẳn trong nhà máy nhiệt điện vận hành chu trình đơn. Vì thế tiết kiệm được vốn đầu tư - Không khí là một môi chất tương đối an toàn, sạch và rẻ có thể được sử dụng trong các tuabin khí hiện đại có mức nhiệt độ cao hơn (>10000C). Vì thế cung cấp được điều kiện tối ưu cho “chu trình đầu”. Ngoài ra quá trình hơi sử dụng nước củng là môi chất kinh tế và dễ kiếm, nhưng nên dùng ở phạm vi nhiệt độ trung bình và thấp. Nhiệt độ nhiệt thừa từ tuabin khí hiện đại ngày nay rất thuận lợi cho quá trình hơi. Vì lẽ đó hoàn toàn có lý khi sử dụng quá trình hơi làm chu “trình cuối”. Thật ra trong lịch sử phát triển tuabin khí đã đề cập đến việc kết hợp tuabin khí/ tuabin hơi nhưng ứng dụng một cách rộng rãi chỉ mới những năm gần đây khi tuabin khí đạt đựơc nhiệt độ vào đạt được giá trị có thể tạo ra một hiệu suất chu trình khá cao. Ngày nay tổng công suất cài đặt của các nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp tuabin khí/ tuabin hơi trên toàn bộ thế giới đã trên 30.000 MW (1997), và đang tăng rất nhanh hằng ngày. Ở Việt Nam những năm gần đây để đáp ứng nhu cầu điện năng bức thiết của đất nước, hàng loạt các nhà máy, trung tâm nhiệt điện sử dụng chu trình hỗn hợp như: - Nhà máy nhiệt điện Bà Rịa từ 1997 lắp đặt thêm các cụm đuôi phần hơi chu trình hỗn hợp đến nay nhà máy đạt công suất 340 MW -Trung Tâm Nhiệt Điện Phú Mỹ tổng công suất hơn 3000 MW - Nhà Máy Nhiệt Điện Cà Mau 1 công suất 750 MW - Nhà Máy Nhiệt Điện Cà Mau 2 công suất 750 MW (đang xây dựng) - Nhà Máy Nhiệt Điện Nhơn Trạch 1 công suất 450 MW - Nhà Máy Nhiệt Điện Nhơn Trạch 2 công suất 750 MW (đang xây dựng) - Nhà Máy Nhiệt Điện Ô Môn II công suất 750 MW (quy hoạch) - Trung Tâm Nhiệt Điện Miền Nam tổng công suất 2250 MW (quy hoạch) Chương 2 Nguyên lý nhiệt động chu trình hỗn hợp trong nhà máy nhiệt điện 2.1 Tiền đề cơ bản ( Hiệu suất chu trình Carnot ) Như đã biết, hiệu suất chu trình Carnot là hiệu suất lớn nhất của một chu trình nhiệt lý tưởng: (1) Ở đây: ηC _ Hiệu suất chu trình Carot TW _ Nhiệt độ nguồn nhiệt cấp TK _ Nhiệt độ môi trường Trên thực tế hiệu suất các quá trình thực thấp hơn do các tổn thất. Lý do đựoc đưa ra là do có sự khác biệt giữa năng lượng tổn thất và tổn thất execgy. Năng lượng tổn thất là phần tổn thấ nhiệt chủ yếu (bức xạ nhiệt, trao đổi nhiệt đố lưu), và đó là năng lượng mất cho quá trình. Mặt khác, tổn thất execgy là tổn thất bên trong bản thân của quá trình không thuận nghịch theo nguyên lý nhiệt động II Hai lý do chính dẫn đến hiệu suất quá trinh thực thấp hơn hiệu suất chu trình Carnot: Thứ nhất, chênh lệch nhiệt độ trong quá trình cấp nhiệt cho chu trình rất lớn. Ví dụ trong nhà máy nhiệt điện hơi đối lưu, nhiệt độ hơi lớn nhất chỉ khoảng 810 0K, trong khi đó nhiệt độ tại buồng đốt trong lò hơi xấp xỉ 2000 0K. Rồi thì nhiệt lượng thải ra từ quá trình cũng có nhiệt độ cao hơn môi trường xung quanh. Cả hai quá trình trao đổi nhiệt trên vì thế đều bị tổn thất. Cách tốt nhất để tăng hiệu suất là tìm cách giảm tổn thất, có thể thực hiện bằng cách tăng tối đa nhiệt độ của chu trình, giảm nhiệt thải ở nhiệt độ thấp nhất có thể. Từ lý luận đó, chu trình hỗn hợp được đặc biệt quan tâm và nghiên cứu. Vì thực tế, không có chu trình đơn nào thực hiện cả hai việc trên được mức độ nhhư nhau, củng như giới hạn về vật liệu và khả năng chế tạo của nó, đó là lý do hợp lý để chọn phương pháp kết hợp 2 chu trình: một với quá trình nhiệt độ cao, và một cho quá trình làm mát cuối cùng. Trong một chu trình mở của tuabin khí, nhiệt độ quá trình có thể đạt được rất cao nhiệt được ccấp trực tiếp cho chu trình. Tuy nhiên, nhiệt độ khói thải từ tuabin khí vì thế củng kha cao. Trong chu trình hơi, nhiệt độ quá trình lớn nhất không quá cao, nhưng nhiệt độ khó thải ra môi trường rất thấp. Như vậy chu trình hỗn hợp chu tuabin khí và tuabin hơi được xem là cung cấp một phương thức hợp lý nhất cho một chu trình nhiệt hiệu suất cao. Khi so sánh với các chu trình đơn khác, ngay cả các chu trình được lắp đặt cải tiến rất công phu, phức tạp như kiểu nhà máy nhiệt điện ngưng hơi có gia nhiệt củng có hiệu suất Carnot lý thuyết thấp hơn 10-15 % so với chu trình hỗn hợp. Mặt khác tổn thất execgy của chu trình hỗn hợp tuabin khí – hơi củng lớn hơn do chênh lệch nhiệt độ ở quá trình trao đổi nhiệt giữa nhiệt thừa từ tuabin khí với chu trình của hơi/nước là thực sự rất lớn. Vì thế có thể thấy được lý do tại sao khác biệt hiệu suất thực tế đạt được của chu trình hỗn hợp với các chu trình khác củng không quá lớn. Bảng 2.1: So Sánh nhiệt động của các chu trình nhiệt nhà máy nhiệt điện. Nhiệt độ nhiệt cấp (0K) Nhiệt độ nhiệt thải (0K) Hiệu suất chu trình Carnot (%) Tuabin khí 950-1000 500-550 42-47 Nhiệt điện ngưng hơi không gia nhiệt 550-630 320-350 37-50 Nhiệt điện ngưng hơi có gia nhiệt 640-700 320-350 45-54 Nhiệt điện chu trình hỗn hợp 950-1000 320-350 63-68 2.2 Hiệu suất nhiệt nhà máy nhiệt điện tuabin khí-hơi. Nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp tuabin khí-hơi là chu trình kết hợp gồm chu trình mở tuabin khí với chu trình Renkin hơi nước. Sơ đồ thiết bị và đồ thị T-s của chu trình hỗn hợp tuabin khí-hơi Nguyên lý làm việc của chu trình: Không khí được nén đoạn nhiệt trong máy nén đến áp suất và nhiệt độ cao, được đưa vào buồng đốt hòa trộn với nhiên liệu và cháy trong buồng đốt ở áp suất cao, không đổi. Sản phẩm cháy đi vào tuabin khí , dãn nở sinh công cho máy phát. Ra khỏi tuabin khí sản phẩm cháy có nhiệt độ còn rất cao, tiếp tục đi vào thiết bị hồi nhiệt sinh hơi cấp nhiệt cho chu trình nước-hơi, rồi thải ra ngoài. Nước được bơm cấp nước bơm vào trong thiết bị thu hồi nhiệt sinh hơi nhận nhiệt và biến thành hơi quá nhiệt. Hơi quá nhiệt đi vào tuabin hơi dãn nở đoạn nhiệt sinh công cho máy phát. Ra khỏi tuabin, hơi đi vào bình ngưng, nhả nhiệt đẳng áp ngưng tụ thành nước rồi được bơm trở về thiết bị sinh hơi, lặp lại chu trình cũ. Trên đồ thị T-s các chu trình nhiệt được biểu diễn như sau: a-b : quá trình nén đoạn nhiệt không khí trong máy nén khí. b-c : quá trình cấp nhiệt (cháy) đẳng áp trong buồng đốt c-d : quá trình dãn nở đoạn nhiệt sinh công trong tuabin khí d-a : quá trinh nhã nhiệt đẳng áp trong thiết bị thu hồi nhiệt sinh hơi 3-1’-1’’-1 : quá trình nước nhận nhiệt đẳng áp trong thiết bị sinh hơi 1-2; 2-2’; 2’-3 : các quá trình giãn nỡ đoạn nhiệt trong tuabin hơi, ngưng đẳng áp trong bình ngưng, và nén đoạn nhiệt trong bơm như chu trình Renkin Như đã nói trên, nhiệt lượng sản phẩm cháy chỉ cấp trực tiếp trong tuabin khí. Tuy nhiên một số chu trình hỗn hợp khi lắp đặt cần thiết có cấp nhiệt bổ sung ở thiết bị sinh hơi, nghĩa là một phần nhiệt được cấp trực tiếp từ buồng đốt tuabin khí đến chu trình hơi. Theo đó, hiệu suất nhiệt nhà máy chu trình hỗn hợp được xác định tổng quát như sau: (2) Nếu không cấp nhiệt bổ sung ở lò sinh hơi(QSF = 0), thì công thức là: (3) Trường hợp tổng quát, hiệu suất các chu trình đơn được định nghĩa là: - Với chu trinh tuabin khí: (4) - Với chu trình tuabin hơi (5) (6) Kết hợp 2 phương trình trên ta được: (7) Trong đó: ηK _ Hiệu suất chu trình hỗn hợp ηGT _ Hiệu suất tuabin khí ηST _ Hiệu suất chu trình hơi WGT _ Công suất điên tuabin khí, kW WST _ Công suất điện tuabin hơi, kW QGT _Nhiệt cấp của sản phẩm cháy cho tuanbin khí ( cho chu trình), kW QEXH _ Nhiệt cấp cho chu trình hơi từ tuabin khí, kW QSF _Nhiệt cấp bổ sung cho lò sinh hơi, kW 2.2.1 Tác động của nhiệt cấp bổ sung ở lò sinh hơi đến hiệu suất trên toàn chu trình hỗn hợp Ta thực hiện thế phương trình (4) va phương trình (7) vào phương trình (2) ta có: (8) Nhận xét rằng nhiệt cấp bổ sung ở lò sinh hơi làm tăng hiệu suất toàn chu trình khi (9) Biến đổi vi phân phương trình (8) ta được bất đẳng thức: (10) Từ đó ta được: (11) Vì giá trị vế thứ 2 của bất đẳng thức bằng giới hạn của chu trình, nên bất đẳng thức có thể viết là: (12) Giá trị chính là nhiệt lượng cấp vào cho chu trình hơi. Do đó công trở thành: (13) Phương trình (13) cho thấy nhiệt cấp bổ sung cho thiết bị sinh hơi sẽ làm tăng hiệu suất chu trình hỗn hợp chỉ khi nó làm tăng hiệu suất chu trình hơi. Hơn nữa hiệu suất chu trình hỗn hợp khác với chu trình hơi, và nhiệt độ nhiệt lượng cấp vào chu trình hơi càng thấp thì hiệu suất càng tăng. Vì thế nhiệt cấp bổ sung tác dụng giảm dần và ít hiệu quả: bởi hiệu suất toàn bộ chu trình tăng rất nhanh trong khi hiệu suất chu trình hơi chỉ tăng trong phạm vi (ηK-ηST). Như đã đề cập trên, nhìn chung thì toàn bộ nhiên liệu nên đốt trong tuabin khí hiện đại, vì nhiệt độ của nhiệt lượng cấp cho chu trình ở mức cao hơn so với cấp tại chu trình hơi. 2.2.2 Hiệu suất nhà máy chu trình hỗn hợp không có đốt bổ sung nhiệt ở lò sinh hơi Không bổ sung nhiệt thì phương trình (8) có thể được viết như sau: (14) Đưa về vi phân để ta có thể đánh giá ảnh hưởng của hiệu suất tuabin khí đến hiệu suất toàn bộ chu trình. (15) Tăng hiệu suất tuabin khí sẽ làm tăng hiệu suất toàn chu trình chỉ khi: (16) Từ phương trình (15) ta có: (17) Hiếu suất tuabin khí tăng cao chỉ có ích khi nó không ảnh hường làm cho hiệu suất chu trình hơi giảm xuống Bảng dưới đây đưa ra mức giảm lớn nhất cho phép như một hàm của hiệu suất tuabin khí Bảng 2.2: Mức giảm hiệu suất cho phép hiệu suất chu trình hơi biểu diễn như một hàm số của hiệu suất tuabin khí ( Hiệu suất chu trình hơi = 0.25) Nó cho biết rằng hiệu suất tuabin khí càng cao thì có thể gây ra giảm hiệu suất chu trình hơi. Sự cân đối tương quan của công suất ra toàn chu trình được quyết định bởi việc tăng hiệu suất tuabin khí, và đồng thời giảm tác động làm hạ hiệu suất chu trình hơi. Nhưng một tuabin khí vơi hiệu suất cao nhất chưa chắc thiết lập được chu trình hỗn hợp tối ưu cho nhà máy. Ví dụ như với một nhiệt độ vào không đổi, một tuabin có tỉ số nén cao thì đạt được hiệu suất cao hơn so với loại có tỉ số nén vừa phải, tuy nhiên tuabin hơi đi kèm với loại có tỉ số nến vừa phải lại hoạt động có hiệu suất cao hơn vì nhiệt độ nhiệt thừa từ tuabin khí cấp cho quá trình hơi cao hơn, và tạo được công suất ra cao hơn. Đồ thị 2.2a biểu diễn hiệu suất của riêng tuabin khí bởi hàm số theo thông số nhiệt độ vào, ra tuabin. Ta thấy rằng hiệu suất cao nhất của tuabin khí ở nhiệt độ khói khá thấp (nghĩa là tỉ số nén của tuabin cao) Đồ thị 2.2b biểu diễn hiệu suất toàn chu trình củng theo hàm số với các thông số trên. So sánh với đồ thị 2.2a thì điểm tối ưu theo chiều hướng tăng nhiệt độ khói từ tuabin khí. Tuỳ theo mục đích kinh tế, ngày nay tuabin khí khá tối ưu hoá, không quá chú trọng đến hiệu suất riêng mà nó quan tâm nhiều đến tỷ trọng lớn nhất điện năng sản xuất được. Hầu hết tuabin khí hiện nay đều phù hợp lắp đặt cho nhà máy điện chu trình hỗn hợp. Đồ thị 2.2: Hiệu suất của tuabin khí trong nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp theo hàm số của nhiệt độ vào, ra tuabin khí Riêng tuabin khí Nhà máy điện chu trình hỗn hợp t1_ nhiệt độ cháy trong buồng đốt tuabin khí t2_ nhiệt độ khói ra khỏi tuabin khí Tóm lại ta có thể nói: Hiệu suất tuabin khí không phải là yếu tố quyết định hiệu suất toàn chu trình trong nhà máy điện chu trình hỗn hợp, mà quan trọng là thông số đầu vào của tuabin khí, cụ thể là nhiệt độ cháy của hỗn hợp nhiên liệu trong buồng đốt. Trong một số trường hợp ta quan tâm đến hiệu suất chu trình hơi, nhưng nó không quan trọng lắm vì thường tuabin khí là “thiết bị chuẩn”, nhiệt lượng cấp cho chu trình hơi là từ khói của tuabin khí, và vấn đề nằm trong hiệu quả biến đổi nhiệt của các thiết bị trao đổi nhiệt. Kết luận: Nhà máy điện chu trình hỗn hợp không đốt bổ sung đạt được những thuận lợi về nhiệt động học hơn. Nó có những ưu điểm sau: Hiệu suất cao: có thể đạt được trên 50 % Chi phí đầu tư không cao lắm: Vì 2/3 công suất được tạo ra từ tuabin khí, chỉ 1/3 được sản xuất từ quá trình hơi, cho nên có thể giảm được gần 30 % chi phí so với nhà máy nhiệt điện ngưng hơi Lượng nước cấp ít: Chỉ cần khoảng 40 – 50 % so với nhà máy nhiệt điện ngưng hơi tương đương Hoạt động được ở nhiều chế độ: Chỉ sử dụng chu trình đơn quá trình hơi nên có thể khởi động và ngưng hoạt động khá nhanh, điều náy giúp khả năng điều chỉnh hiệu quả hơn ( như điều chỉnh sao cho tổn thất khi khởi động giảm xuống, …) Có thể tiến hành lắp đặt theo từng giai đoạn, và từng cụm: Tuabin khí có thể đi vào hoạt động sớm hơn tuabin hơi rất nhiều, nhà máy có thể mở rộng dần. Ta có thể tính toán đầu tư hợp cho từng giai đoạn theo nhu cầu điện năng của hệ thống điện lưới quốc gia. Và cuối cùng ta có thể lắp đặt thêm hệ thống sử dụng nhiên liệu than khí hoá nếu trường hợp giá khí đốt và dầu tăng cao Hoạt động dễ dàng: Một nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp không cấp đốt bổ sung hoạt động khá đơn giản hơn nhiều so vói nhà máy điện ngưng hơi. Hơn nữa nhà máy chu trình hỗn hợp hoạt động hầu như hoàn toàn tụe động, nó củng sử dụng dặc biệt thích hợp cho những nơi ít kinh nghiệm vận hành Ít tác động tới môi trường: Nhiên liệu khí tự nhiên đốt trong nhà máy thich hợp với các nhà máy đặt ở nơi đông dân cư vì nó có hiệu quả đốt chay cao và mức độ tro phát thải ra ngoài thấp, đặc biệt nồng độ NOX rất thấp và giảm được 40 % lượng CO2 thoát ra trên mổi kWh so với đốt than đá Công suất điện có thể tăng 40 % so với nhà máy điện ngưng hơi cùng áp suất làm việc Chương 3 Thành Phần Thiết Bị Chính Trong Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp3.1 Thiết Bị Tuabin Khí 3.1.1 Khái niệm Tuabin khí Tuabin khí là động cơ nhiệt trong đó biến đổi hoá năng của nhiên liệu thành nhiệt năng rồi thành cơ năng. Quá trình biến đổi năng lượng trong tuabin khí có thể thực hiện bằng nhưng chu trình khác nhau. Tuabin khí là thành phần quan trọng nhất trong nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp tuabin khí/ tuabin hơi. Với sự phát triển nhanh chóng của tuabin khí ngày nay, nhiệt độ đầu vào tuabin đạt được ngày càng lớn tạo điều kiện cho chu trình hỗn hợp chiếm ưu thế và hiệu quả sẩn xuất điện so với các chu trình nhiệt khác. Song song với quá trình phát triển tuabin khí là cải tiến máy nén đi kèm theo nó để nén không khí cấp quá trình đốt trong buồng đốt tuabin. Ngày nay máy nén có thể nén với lưu lượng và tỉ số nén lớn hơn rất nhiều, vi thế có thể đạt đựoc công suất điện lớn hơn, đồng thời giảm được chi phí và tăng hiệu suất chu trình. Ưu điểm: Bố cục gọn Tính cơ động vận hành cao, như mở máy nhanh, thay đổi tải lớn Vận hành không cần nước, hay yêi cầu rất ít nước Thời gian xây dựng nhanh Nhược điểm: Giá thành nhiên liệu cao Giá thành vật liệu, chi phí sản xuất cao hơn Khó sữa chữa Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật tiêu biểu của các Tuabin khí lắp đặt cho hệ thống chu trình hỗn hợp trên thị trường Công suất ra (theo tiêu chuẩn ISO) 1-150 MW Hiệu suất (theo tiêu chuẩn ISO) 28-35 % Tỉ số nén 10-18 Nhiệt độ đầu vào tuabin 950-1150 0C Nhiệt độ khói ra khỏi tuabin 480-570 0C Lưu lượng khói ra khỏi tuabin 30-500 kg/s Tuabin khí (loại tĩnh) có thể được xếp theo các loại sau: Tuabin khí xuất phát từ công nghệ tuabin hơi Tuabin khí bắt nguồn từ kỹ thuật động cơ đốt tong Tuabin khí từ ngành kỹ thuật hàn không, bao gồm một động cơ phản lực đi kèm với một tuabin phát điện3.1.2 Các phần tử chính của thiết bị tuabin khí Các phần tử chính của tuabin khí gồm: máy nén, buồng đốt, tuabin khí, và bộ trao đổi nhiệt. Máy nén Dùng để nén môi chất làm việc (thường là không khí) và nhiên liệu. Người ta thường dùng máy nén ly tâm hoặc dọc trục để nén môi chất làm việc, để nén nhiên liệu khí có nhiệt trị 30.106 Jm-3 trở lên phải chọn loại máy nén có thể tích tổn thất khoảng 3% thể tích môi chất làm việc. Như vậy loại máy nén thích hợp chỉ có thể dùng là máy nén piston hoặc ly tâm có số vòng quay rất lớn Những yêu cầu kỹ thuật đối với máy nén dùng để nén môi chất làm việc: Hiệu suất cao (η) độ nén từng cấp cao Có thể sử dụng tốc độ vòng quay lớn Vận hành ổn định trong khoảng làm việc của tuabin Dễ điều khiển về mặt khí động học và cơ học Buồng đốt Trong buồng đốt năng lượng liên kết hoá học được giải phóng vào không khí được hoà trộn đều đi vào tuabin khí sinh công như dòng khí truyền động Quá trình cháy trong buồng đốt có hiệu suất cao nhất với hệ số không khí khoảng từ α=1,3-2,2 Quá trình làm việc của buồng đốt Quá trình làm việc của buồng đốt được xác định bởi cấu trúc buồng đốt và bởi những tình trạng vận hành. Quá trình làm việc của buồng đốt bao gồm quá trình đốt cháy nhiên liệu, quá trình hoà trộn sản phẩm cháy với không khí, các điều kiện làm mát ống lửa, các điều kiện khi phụ tải thay đổi và khi mở máy. Tuabin khí Năng lượng nhiệt của sản phẩm cháy được biến đổi thành cơ năng trong tuabin khí. một phần lớn hơn công suất tuabin được dung để truyền động máy nén khí, một phần nhỏ hơn con lại của công suất là công suất hữu ích cung cấp cho các máy móc hoạt động ( máy phát điện, bơm, quạt thổi khí…). Công suất tuabin gấp khoảng 2-3 lần công suất hữu ích. Những yêu cầu kỹ thuật đối với tuabin khí: Công suất củng như đặc tính của tuabin có ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính toàn tổ máy. Để toàn bộ tổ máy tuabin khí làm việc đạt hiệu suất cao thì cần thiết đáp ứng một số yêu cầu kỹ thuật quan trọng sau đối với tuabin: Hiệu suất chuyển đổi năng lượng trong tuabin phải cao Cánh quạt của tuabin làm việc với nhiệt giáng lớn phải ở tốc độ vòng cao Phải đảm bảo các yêu cầu về khí động học và cơ học khi gia công các thiết bị hợp chịu nhiệt khim khó gia công Những phần tử chính: Cổ ống vào dẫn sản phẩm cháy từ buồng đốt vào dãy cánh tuabin Dãy cánh tĩnh(stato) để chuyển nhiệt năng thành động năng Rô to để nhận công suất từ động năng của dòng sản phẩm cháy Cổ ống ra để chuyển một phần động năng thành thế năng áp suất và dẫn sản phẩm cháy ra ống thoát Các chi tiết làm mát phần vỏ tuabin Các phụ kiện Một vấn đề quan trọng là thiết bị tuabin khí được chế tạo theo tiêu chuẩn hoá. Các tuabin có thể lắp đặt thành tổ hợp, vì thế giảm được thơi gian hoạt động của từng tuabin khi phụ tải giảm và hạ được giá thành. Thiết bị tuabin khí trong hệ thống chu trình hỗn hợp hoạt động với áp suất và nhiệt độ rất cao, tốc độ vòng quay lớn nên vấn đề bám bẩn gay tắc nghẽn là mối quan tâm lớn trong máy nén và tuabin. Bám bẩn trong máy là do tuabin khí hoạt động trong chu trình hở, không khí hút vào không thể làm sạch hoàn toàn. Bám bẩn trong tuabin chỉ xảy ra khi nhiên liệu thô lẫn nhiều tạp chất hoặc do thừa dầu 3.2 Thiết Bị Thu Hồi Nhiệt Sinh Hơi 3.2.1 Khái niệm Thiết bị thu hồi nhiêt sinh hơi trong hệ thống nhà máy điện chu trình hỗn hợp là thiết bị sinh hơi (lò hơi) sử dụng nhiệt của khói ở đuôi tuabin khí để cấp hơi cho các tuabin hơi. Nó là thiết bị liên kết quá trình khí với chu trình hơi của chu trình hỗn hợp. Thiết bị thu hồi nhiệt sinh hơi có 3 loại chính: Loại không cần cấp nhiệt bổ sung Loại có cấp nhiệt bổ sung giới hạn Loại được cấp nhiệt bổ sung lớn nhất Như đã nói ở trên thiết bị hồi nhiệt loại không có cần cấp nhiệt bổ sung được quan tâm sử dụng nhiều nhất trong chu trình hỗn hợp, và những đặc điểm của nó vì thế được chú ý nghiên cứu nhiều. Trong đồ án này củng chỉ giới thiệu về loại này vì nó được thiết kế và lắp đặt ở hầu hết các nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp nước ta. Thiết bị sinh hơi có thể thiết kế lắp đặt theo 2 nguyên lý: Chu trình nước/hơi tuần hoàn cưỡng bức Chu trình nước/hơi tuàn hoàn tự nhiên Ngoài ra nhiên liệu và nhiệt độ sản phẩm cháy củng ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sôi và bay hơi trong thiết bị thu hồi nhiệt sinh hơi. Dựa vào đặc tính của nhiên liệu để ta chọn nhiệt độ nước cấp và tính toán nhiệt hâm nước. Bảng 3.2: Nhiệt độ nước cấp cho theo nhiên liệu Dầu chứa hơn 2% SO2 140-145 0C Dầu chứa ít hơn 2% SO2 110-130 0C Khí thiên nhiên, không có SO2 50-60 0C 3.2.2 Các phần tử chính thiết bị thu hồi nhiệt sịnh hơi 1: Lò sinh hơi 2: Bao hơi hạ áp 3: Bình khử khí 4: Bao hơi cao áp 3.2.3 Những vấn đề khi vận hành Vấn đề chính ảnh hưởng đến thiết kế thiết thu hồi nhiệt sinh hơi là qúa trình khởi động rất nhanh của thiết bị tuabin khí. Sự dãn nở nhanh xảy ra trong quá trình khởi động có thể được xem xét để thiết kế phòng ngừa cho phù hợp, ví dụ như cô lập tạm các cụm ống, vân vân. Giới hạn chính của nó là mức độ tăng tải nảy sinh trong bao hơi. Để có thể khởi động nhanh, đường kính bao hơi nên chế tạo càng nhỏ càng tốt, điều này chỉ thực hiện được khi áp suất hơi làm việc thấp. Áp suất hơi tối ưu chế tạo thiết bị thu hồi nhiệt sinh hơi không đốt bổ sung khoảng 30-70 bar, điều kiện thuận lợi để có thể khởi động nhanh Một vấn đề nữa trong quá trình vận hành là sự thay đổi thể tích bên trong thiết bị bay hơi trong suốt quá trình khởi động. Chênh lệch thể tích riêng lớn giữa nước và hơi ở áp suất hạ áp và trung áp là nguyên nhân một lượng lớn nước có thể bị đẩy ra khỏi thiết bị bay hơi trong quá trình bay hơi lúc khởi động. Bao hơi phải giữ lại được hầu hết lượng nước này vì nếu không một lượng nước rất lớn thất thoát ra ngoài qua ống xả an toàn của bao hơi mỗi khi khởi động. Vì thế thể tích toàn bao hơi thuộc vào thời gian khởi động và lượng nước thất thoát cho phép, nên vào khoảng 1,5-2,5 lần thể tích hơi bay hơi lúc hoạt động bình thường. Lượng hơi thừa này còn có thể được giữ lại và giới hạn trong vòng tuần hoàn kín, ít nhất là không cho hơi thoát ra trong bộ gia nhiệt nước. Để tăng hiệu suất tải từng phần và xử lý các sự cố trong nhà máy chu trình hỗn hợp, vì thế ta có thể thiết kế cho thiết bị sinh hơi hoạt động ở nhiều áp suất khác nhau. 3.3 Thiết Bị Tuabin Hơi 3.3.1 Khái niệm tuabin hơi Tuabin hơi trong nhà máy nhiệt điện là động cơ nhiệt dẫn động máy phát điện. Khi dòng hơi chuyển động qua các rãnh cánh tuabin, nhiệt năng của dòng hơi biến thành động năng rồi động năng biến thành cơ năng (sinh công) trên cánh động của tuabin, làm cho tuabin quay Tuabin hơi thường dùng trong nhà máy nhiệt điện là tuabin dọc trục vì có thể chế tạo công suất lớn. Nguyên lý cấu tạo tuabin hơi: 3.3.2 Đặc điểm tuabin hơi trong nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp Để kéo máy phát điện có công suất lớn, tuabin phải làm việc với lưu lượng hơi lớn, nhiệt dáng lớn. Vì vậy muốn đạt được hiệu suất cao hơi phải làm việc trong các dãy tầng liên tiếp nhau của tuabin nhiều tầng Ở nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp hiện đại, tuabin hơi là một thành phần thiết bị có thông số hơi làm việc tương đối thấp (so với các thiết bị khác như tuabin khí, thiết bị thu hồi nhiệt sinh hơi). Nó phải có những đặc điểm chính sau: - Có công suất, hiệu suất lớn - Thời gian khởi động nhanh Khởi động nhanh là đặc biệt quan trọng vì nhà máy thường khởi động và dừng máy ở mức tải trung bình. Đây là điều kiện đặt lên hàng đầu đối với các nhà máy thiết kế không đốt bổ sung 3.4 Máy phát điện Phần lớn thiết bị tuabin khí và tuabin hơi trong nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp nối trực tiếp tuabin máy phát điện ( máy phát điện 2 cực) Có 3 loại tuabin máy phát có thể lắp đặt cho nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp: Máy phát điện làm mát bằng không khí với hệ thống làm mát hở Máy phát điện làm mát bằng không khí với hệ thống làm mát kín Máy phát điện làm mát bằng hydro lỏng Máy phát điện làm mát bằng không khí hở có hiệu pủa làm mát khá tôt và giá thành rẻ, nhưng dễ bị bám bụi bẩn và tiếng ồn lớn. Máy phát điện làm mát bằng không khí kín thường chế tạo với công suất xấp xỉ 200 MVA trở lên, không bị bám bụi bẩn nhưng giá thành đắt, hơn nữa hiệu suất đầy tải của máy phát điện làm mát bằng không khí hiện nay củng khá lớn. Máy phát điện làm mát bằng hydro lỏng đạt hiệu suất cao hôn loại làm mát bằng không khí, tuy nhiên nó yêu cầu phải có thêm thiết bị phụ, thiết bị kiểm tra, thiết kế chế tạo phức tạp, và dĩ nhiên giá thành cao hơn rất nhiều. Tuabin khí và Máy phát điện tuabin khí lắp đặt ở Nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ 3 Chương 4 Tính Toán Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Cà Mau 1 4.1 Sơ lược về nhà máy Nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1 được xây dựng tại Trung tâm Khí Điện Đạm Cà Mau, Tĩnh Cà Mau. Trung tâm Khí Điện Đạm Cà Mau sử dụng nguồn nguyên nhiên liệu khí thiên nhiên để sản xuất điện năng và phân bón, gồm các nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1(750 MW), Cà Mau 2 (750 MW đang được lắp đặt) với tổng công suất 1500 MW, và các nhà máy sản xuất phân bón (đang triển khai) . Chủ đầu tư Ban Quản Lý Dự Án Khí Điện Đạm Cà Mau - Tập đoàn Dầu Khí Việt Nam. Cố vấn kỹ thuật Electrowatt – Ekono Group Nhà thầu lắp đặt chính Tổng Công Ty Lắp Máy Lilama. Cố vấn kỹ thuật FICHTNER Nhà thầu phụ Siemens Power Generation, cung cấp thiết bị cho nhà thầu phụ Doosan Heavy Industries & Contruction Co. Ltd 4.2 Các thông số chính của nhà máy Nhiên liệu: Khí thiên nhiên/ dầu mỏ Loại nhà máy: Chu trình hỗn hợp khí/hơi Công suất điện lưới: 750 MW 2 Tuabin khí: Mổi tuabin công suất 250 MW 1 Tuabin hơi: Công suất 250 MW Máy phát điện: Tần số 50 Hz máy phát điện tuabin khí làm mát băng hydro lỏng 1 máy phát điện tuabin hơi làm mát bằng không khí Thiết bị thu hồi nhiệt sinh hơi khói nóng đi ngang 3 cấp áp suất có gia nhiệt trung gian Nước/hơi tuần hoàn tự nhiên, không đốt bổ sung Phối cảnh nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp Cà Mau 1 4.3Tính kiểm tra hiệu suất nhà máy chạy thử đầy tải ngày 14/03/2008 4.3.1Thông số trạng thái khảo sát Nhiệt độ môi trường xung quanh 27,54 0C Áp suất khí quyển 1,0115 bar Độ ẩm không khí 69,3 % Nhệt độ nước làm mát 33,88 0C Thành phần nhiên liệu [%] CH4 79,050 C2H6 6,645 C3H8 3,005 nC4H10 0,725 iC4H10 0,650 nC5H12 0,195 iC5H12 0,295 C6H14+ 0,235 N2 1,465 CO2 7,735 Nhiệt trị thấp nhiên liệu Qtlv = 40260,7 kJ/kg 4.3.2 Sơ đồ nhiệt nguyên lý và các thông số đầu ra chuẩn kiểm tra nhiệt nhà máy theo thiết kế Sơ đồ nhiệt nguyên lý xác định nội dung cơ bản của quá trình công nhgệ biến đổi nhiệt trong nhà máy Nhà máy này có sơ đồ 2:2:1. Các thành phần chính trong sơ đồ nhiệt nguyên lý gồm có: 2 tuabin khí và máy phát tuabin khí, 2 lò thu hồi nhiệt sinh hơi, một tuabin hơi và máy phát điện tuabin hơi, các đường hơi và đương khói. Lò thu hồi nhiệt sinh hơi : Có 3 cấp áp suất làm việc tương ứng 3 bao hơi ( cao, trung, và hạ áp), có các thông số tới hạn là: Cao áp: 73,2 kg/s × 130 bar × 567 0C Quá nhiệt trung gian 85,2 kg/s ×30,8 bar × 565 0C Trung áp: 14,5 kg/s × 32,3 bar × 333 0C Hạ áp: 10,2 × 5,4 bar × 238 0C Mỗi lò có tổng khối lượng gần 13320 tấn, và có kích thước bao quanh là 10,7m × 29,8m × 29,3m Các thiết bị chính và chức năng của nó như sau: Bao hơi: Chứa hơi và nước ở các cấp cao, trung, và hạ áp. Nửa trên chứa hơi sẽ qua các bộ quá nhiệt vào tuabin hơi, và còn lại là nước đi xuống hệ thống dàn ống trong lò để được đốt lại Các module dàn ống: theo chiều dài lò được chia thành 5 module, gồm các dàn ống trao đổi nhiệt của các thiết bị trao đổi nhiệt. Để làm tăng hiệu quả truyền nhiệt giữa khói nóng từ tuabin khí với hơi và nứoc trong ống nguời ta gắn cánh bên ngoài ống để tăng diện tích tiếp xúc với khói Hệ thông giảm ôn giảm áp cho tất cả hệ thống lò: Trường hợp khi quá tải các van an toàn sẽ tự động mở xả lên hệ thống này để giảm tiếng ồn Hệ thống bơm cấp nước cho lò (nước khoáng sau khi được xử lý) Hệ thống khử khí: khử khí sủi bọt cho nước từ hệ thống ngưng tụ cấp cho hệ thống bơm cấp nước cho lò Hệ thống ngưng tụ; ngưng tụ hơi sau khi qua tuabin sau đó trả về lò thu hồi nhiệt sinh hơi gia nhiệt lại. Vì thế nhà máy có chu trình hơi kín Hệ thống xử lí nước cho hệ thống bơm cấp nước, tháp làm mát nước cho hệ thống ngưng tụ… * Diễn giải sơ đồ nhiệt nguyên lý: Không khí được nén trong máy nén đến áp suất và nhiệt độ yêu cầu, được đưa vào buồng đốt hòa trộn với nhiên liệu và cháy trong buồng đốt. Sản phẩm cháy đi vào tuabin khí , dãn nở sinh công cho máy phát. Ra khỏi tuabin khí sản phẩm cháy có nhiệt độ còn rất cao, tiếp tục đi vào thiết bị hồi nhiệt sinh hơi cấp nhiệt cho chu trình nước-hơi, rồi thải ra ngoài. Hơi quá nhiệt 128,72 bar; 567,2 0C từ lò thu hồi nhiệt sinh hơi được dẫn đến phần cao áp của tuabin hơi dãn nở sinh công, sau đó hơi với thông số 32,95 bar; 565,3 0C cùng với hơi từ bao hơi trung áp được quá nhiệt trung gian ở áp suất 30,8 bar và nhiêt độ 565 0C, tiếp tục đi vào dãn nở sinh công trong phần trung áp của tuabin. Ra khỏi phần trung áp với p=4,58 bar: t=295 0C, hơi chia làm 2 dòng qua 2 nửa đối xứng phần tuabin hạ áp để khử lực dọc trục và giảm tiết diện thoát. Hơi sau khi ra khỏi phần hạ áp của tuabin được đưa vào hệ thống ngưng tụ, tại đây hơi được ngưng tụ thành nước. Áp lực hơi thoát vào hệ thống ngưng tụ pk=0,111 bar. Nước ngưng sau khi ra khỏi hệ thống ngưng tụ được bơm nước ngưng bơm qua các bình gia nhiệt hạ áp rồi dồn về thiết bị khử khí. Nước ngưng sau khi được khử khí sẽ được chứa trong bể khử khí, sau đó được bơm nước cấp đưa qua các bình gia nhiệt cao, trung và hạ áp làm tăng nhiệt độ nước trước khi vào các bao hơi. Hơi chèn đuôi các phần cao áp, trung áp và tất cả phần hạ áp được đưa về hệ thống ngưng tụ. Tất cả lượng hơi đi chèn được lấy từ các buồng chèn ở các phần của tuabin. 4.3.3 Các kết quả đo kiểm tra Tuabin khí 1 Áp suất nhiên liệu, p [bar] 29,634 Thể tích riêng dòng nhiên liệu, v [m3/s] O,5635 Nhiệt độ trung bình nhiên liệu, [0C] 18,33 Tỉ khối dòng nhiên kiệu, ρ [kg/m3] 28,33 Công suất điện cuối máy phát, We1 [MW] 244,172 Công suất điện lưới, [MW] 235,260 Tuabin khí 2 Áp suất nhiên liệu, p [bar] 29,911 Thể tích riêng dòng nhiên liệu, v [m3/s] O,5629 Nhiệt độ trung bình nhiên liệu, [0C] 17,76 Tỉ khối dòng nhiên kiệu, ρ [kg/m3] 28,6957 Công suất điện cuối máy phát, We2 [MW] 243,066 Công suất điện lưới, [MW] 238,959 Tuabin hơi Nhiệt độ trung bìnhnước vào làm mát bình ngưng, [0C] 33,88 Công suất điện cuối máy phát, Weh [MW] 247,373 Công suất điện lưới, [MW] 244,980 Tổng công suất điện cấp cho tuabin phụ truyền động bơm cấp là WP = 5,063 MW Lưu lượng hơi cấp Tuabin hơi Phần cao áp 142,063 kg/s Phần trung áp 174,546 kg/s Phần hạ áp 197,598 kg/s Quá nhiệt trung gian 140,626 kg/s Lưu lượng nước cấp cho các binh bốc hơi Hạ áp 21,854 kg/s Trung áp 30,854 kg/s Cao áp 142,063 kg/s Thông số hơi và nước làm việc của tuabin hơi Hơi, nước p, [bar] T, [0C] i’, [KJ/kg] I”, [KJ/kg] quá nhiệt cao áp 128,72 567,2 - 3517,5 phần cao áp tuabin 122,79 565 3517,5 3152,3 quá nhiệt trung áp 30,86 565,3 - 3603,3 phần trung áp tuabin 30,14 565 3603,3 3055,4 quá nhiệt hạ áp 5,09 239 - 2937,8 phần hạ áp tuabin 4,54 288,7 3042,4 2440 bốc hơi hạ áp 5,74 152 640,6 - bốc hơi trung áp 54,39 152,4 645,4 - bốc hơi cao áp 138,13 154 657,5 - 4.3.4 Xác định chỉ tiêu năng lượng đối với chu trình nhà máy Khác với nhà máy nhiệt điện ngưng hơi, việc xác định chỉ tiêu năng lượng đối với sơ đồ nhà máy nhiệt điện khí-hơi khá phức tạp. Để phân tích chi tiết hơn sự hoàn thiệncủa các phần tử riêng biệt trong nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp tuabin khí-hơi và ảnh hưởng của nó tới các chỉ tiêu của nhà máy khi sản xuất điện năng và nhiệt năng, người ta xác định hiệu suất dựa trên phương pháp vật lý tổng quát và sơ đồ tổng quát của các dòng nhiệt của nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp tuabin khí-hơi. Sơ Đồ Tổng Quát Các Dòng Nhiệt Của Nhà Máy Nhiệt Điện Khí-Hơi Tuabin hơi Tuabin khí Lò thu hồi nhiệt sinh hơi Hộ dùng nhiệt Trong đó: Qvk _ Nhiệt đưa vào tuabin khí Qvl _ Nhiệt đưa vào lò thu hồi nhiệt sinh hơi Wek _ Công suất điện tuabin khí Weh _ Công suất điện tuabin hơi Qxtk _ Nhiệt tổn thất tuabin khí Qxth _ Nhiệt tổn thất tuabin hơi Qxlh _ Nhiệt tổn thất của lò thu hồi nhiệt sinh hơi Qnh _ Nhiệt tuabin hơi cấp cho hộ dùng nhiệt Qnk _ Nhiệt tuabin khí cấp cho hộ dùng nhiệt Qnl _ Nhiệt lò thu hồi nhiệt sinh hơi cấp cho hộ dùng nhiệt Qkl _ Nhiệt tuabin khí cấp cho lò thu hồi nhiệt sinh hơi Qkkk _ Nhiệt của không khí từ máy nén tuabin khí cấp cho lò thu hồi nhiệt sinh hơi Qkkbs _ Nhiệt của không khí bố sung cho lò thu hồi nhiệt sinh hơi Qlk _ Nhiệt từ lò thu hồi nhiệt sinh hơi đưa cho tuabin khí Qlh _ Nhiệt của lò thu hồi nhiệt sinh hơi cấp cho tuabin hơi Qkh _ Nhiệt tuabin khí đưa vào bình ngưng hoặc nước cấp của tuabin hơi Qhtt , Qktt _ Nhiệt tổn thất của đường hơi và đường khíSơ Đồ Các Dòng Nhiệt Của Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp Tuabin Khí-Hơi Cà Mau 1 Tuabin hơi Lò thu hồi nhiệt sinh hơi Tuabin khí 1) Hiệu suất sản xuất điện năng của nhà máy: Các đại lượng được tính như sau: - Hệ số năng lượng của nhà máy để sản xuất điện năng - Hiệu suất thiết bị tuabin khí để sản xuất điện năng Wek = Wek1 + Wek2 = 244,172 + 243,066 = 487,238 MW Qvk = Qvk1 + Qvk2 Qvk1= Qtlv∙M [kJ/s] Trong đó: Qtlv _ Nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu, [kJ/kg] M = ρ∙v _ Lưu lượng khối của nhiên liệu, [kg/s] kW kW → Qvk = Qvk1 + Qvk2 = 1293,115 MW Vậy - Hiệu suất của thiết bị tuabin hơi để sản xuất điện năng Weh = 247,373 MW Qlh = D0(i0 – inc) + Dtg(itg” – itg’) Trong đó: D0 _ Hơi tiêu hao cho tuabin hơi, [kg/s] Dtg _ Hơi qua quá nhiệt trung gian, [kg/s] i0 _ Entanpi hơi quá nhiệt ở các cấp cao, trung, và hạ áp, [kJ/kg] inc _ Entanpi nước cấp ở các cấp cao, trung, và hạ áp, [kJ/kg] itg’, itg” _ Entanpi hơi trước và sau các bộ quá nhiệt trung gian, [kJ/kg] Qlh = 21,845(2937,8 – 640,6) + 30,854(3603,3 – 645,4) + 142,063(3517,5 – 657,5) + 140,626(3603,3 – 3152,3) = 611,188 MJ/s = 611,188 MW Vậy - Hiệu suất lò thu hồi nhiệt sinh hơi (theo cân bằng thuận) Qkl = Qvk – Qttk – Wek – Qxtk Lò thu hồi nhiệt sinh hơi được bố trí sát cửa thoát tuabin khí để giảm tối đa tổn thất nên Qttk ≈0, và xem nhiệt tổn thất tuabin khí không đáng kể Qxtk ≈ 0. Vì thế nhiệt lượng tuabin khí cấp cho lò thu hồi nhiệt sinh hơi được tính là: Qkl = Qvk – Wek = 1293,115 – 487,238 = 805,877 MW → Theo sơ đồ các dòng nhiệt trên thì hiệu suất truyền tải của đường hơi và đường khí: ηtth = 1; ηttk = 1 βe, βpe _ Các hệ số thay đổi tương đối của các dòng nhiệt đưa tới thiết bị tuabin hơi trong sơ đồ khí-hơi có kể đến tác động tới hệ thống hồi nhiệt của tuabin hơi. Ở sơ đồ nhà máy này tuabin hơi không sử dụng hệ thống hồi nhiệt để sử dụng nhiệt từ tuabin khí, nên không ảnh hưởng đến hiệu suất của chu trình hỗn hợp Hệ số phản ánh sự phân phối dòng nhiệt của nhiên liệu giữa lò thu hồi nhiệt sinh hơi và tuabin khí là: *Rlh = β1[1 – β2(1-β3)] + β4β5 Đối với sơ đồ nhà máy này thì ta có: Rlh = [1- (1- β3)] + β4β5 ở đây: → Rlh = [1- (1- 0,63) + 1∙2,54 = 3,17 Với sơ đồ nhà máy này thì: → Vậy hiệu suất của nhà máy theo sản xuất điện năng được viết lại: Vậy hiệu suất sản xuất điện nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp tuabin khí-hơi Cà Mau 1 là 64,1 % 2) Suất tiêu hao nhiệt Suất tiêu hao nhiệt là lượng nhiệt tiêu hao của nhà máy để sản xuất ra 1 kW điện năng. Tổng công suất nhà máy: W = Wek1 + Wek2 + Weh = 244,172 + 243,066 + 247,373 = 734,611 MW = 734611 kW Nhiệt cấp vào cho nhà máy chính là nhiệt cấp vào các tuabin khí Q = Qvk = Qvk1 + Qvk2 = 642751 + 650,364 = 1293115 kJ/s → Suất tiêu hao nhiệt: kJ/kWh 3) Sai số tính toán và các thông số đảm bảo yêu cầu kiểm tra Hệ thống nhà máy nhiệt điện hoạt động với các thông số như trên được nhà chế tạo Siemens đưa ra công suất điện và suất tiêu hao nhiệt bảo đảm yêu cầu cho chạy thử đầy tải là: Công suất điện đảm bảo: MW Suất tiêu hao nhiệt đảm bảo: kJ/kWh Sai số tính toán cho phép 5% Vậy với công suất điện thực tế của nhà máy W = 734,611 MW thì sai số là: và suất tiêu hao nhiệt thực tế của nhà máy là q = 6336,9 kJ/kWh thì: Kết quả cho thấy nhà máy chạy thử kiểm tra thành công, các thông số nhiệt đạt yêu cầu. Sẳn sàng phát điện hoà vào lưới điện quốc gia Tài liệu tham khảo Rolf Kehlhofer (1997). Combined Cycle Gas & Steam Turbin Power Plant; NXB PennWell Hoàng Ngọc Đồng. Kỹ Thuật Nhiệt Điện. ĐHBK Đà Nẳng Nguyễn Công Hân (2002). Nhà Máy Nhiệt Điên Tập 1. NXB Khoa Học Kỹ Thuật Nguyễn Công Hân (2002). Nhà Máy Nhiệt Điện Tập 2 .NXB Khoa Học Kỹ Thuật Phan Quan Xưng. Tuốc Bin Nhiệt Điện. ĐHBK Đà Nẳng Siemens Power Generation (2008). Test Procedure for Preliminary Performance Test – Nhà Máy Nhiệt Điện Cà Mau 1 Presentation Process Overview PM3 (2001). Nhà Máy Nhiệt Điện Phú Mỹ 3 Bùi Hải (1999). Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt. NXB Khoa Học Kỹ Thuật MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU CHUNG 2 1.1.Giới thiệu về điện năng 3 1.2.Phân loại nhà máy nhiệt điện 4 1.3.Giới thiệu chung về nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp tuabin khí-hơi 5 CHƯƠNG 2 - NGUYÊN LÝ NHIỆT ĐỘNG CHU TRÌNH HỖN HỢP TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 9 2.1.Tiền đề cơ bản 10 2.2. Hiệu suất nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp tuabin khí-hơi 12 2.2.1.Tác động của nhiệt cấp bổ sung ở lò sinh hơi đến hiệu suất trên toàn chu trình hỗn hợp 14 2.2.2. Hiệu suất nhà máy chu trình hỗn hợp không có đốt bổ sung ở lò sinh hơi 16 CHƯƠNG 3 - THÀNH PHẦN THIẾT BỊ CHÍNH TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN CHU TRÌNH HỖN HỢP 21 3.1. Thiết bị tuabin khí 22 3.1.1. Khái niệm tuabin khí. 22 3.1.2. Các phần tử chính của thiết bị tuabin khí. 24 3.2. Thiết bị thu hồi nhiệt sinh hơi 27 3.2.1. Khái niệm 27 3.2.2. Các phần tử chính của thiết bị thu hồi nhiệt sinh hơi 28 3.2.3. Những vấn đề khi vận hành 29 3.3. Thiết bị tuabin hơi 30 3.3.1. Khái niệm tuabin hơi 30 3.3.2. Đặc điểm tuabin hơi trong nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp 31 3.4. Máy phát điện 32 CHƯƠNG 4 - TÍNH TOÁN KIỂM TRA NHIỆT NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN CHU TRÌNH HỖN HƠP TUABIN KHÍ-HƠI CÀ MAU 1 33 4.1. Sơ lược về nhà máy 34 4.2. Các thông số chính của nhà máy 34 4.3.Tính kiểm tra hiệu suất nhà máy chạy thử đầy tải ngày 14 - 03 - 2008 36 4.3.1. Thông số trạng thái khảo sát 36 4.3.2. Sơ đồ nhiệt nguyên lý và các thông số đầu ra chuẩn kiểm tra nhiệt nhà máy theo thiết kế 37 4.3.3. Các kết quả đo kiểm tra 40 4.3.4. Xác định chỉ tiêu năng lượng đối với chu trình nhà máy 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50