Sau nửa thế kỷ phát triển mạnh mẽ, tuabin khí đã đạt tới đỉnh cao hoàn thiện: 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 nhờ 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 TG. Nhờ 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 khoảng 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 tới tăng tiêu hao năng lượng cho hệ thống làm mát, điều đó dẫn đến làm giảm 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 hạn. 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 dựa 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 khí chu trình hỗn hợp Ảnh: N.L.Tỉnh (ST)

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 là 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%. Nếu tăng lưu lượng không khí tới 737 kg/s, công suất TTK đạt tới 647 MW. Để so sánh: Một trong những TTK hoàn thiện nhất của hãng Mitsubishi MPCP1-701G2 với 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 suất 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 một 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 hành 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 hiệu suất sẽ là 38%, còn công suất khi lưu lượng không khí ở đầu hút vào máy nén là 220 kg/s sẽ là 100 MW.

Thí dụ về TTK chu kỳ nhiệt động mở rộng, mới xuất hiện trên thị trường là TTK GT-26 của hãng Alstom trong đó có một tầng nén, hai tầng dãn và buồng 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 với 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

Hình 1. Động thái thay đổi hiệu suất và công suất riêng NR của TTK chu trình đơn theo sự tăng nhiệt độ của khí trước tuabin trong giai

đoạn 1991 – 20011. Hiệu suất TTK; 2. NR của TTK; 3. Số gia của hiệu suất TTK trên số gia của nhiệt độ khí trước tuabin; 4. Số gia của công suất riêng TTK trên số gia của nhiệt độ khí trước tuabin; 5. Nhiệt độ khí trước tuabin

R

K

N

T

TTK

e

KT

TK.K

NR TTK

MW.s/kg

Năm

tưởng này cần phải quay lại với chu trình Carnot. Nếu cắt chu trình Carnot với mức tăng áp suất theo đường đẳng áp thành hai chu trình 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 biểu đồ T, s với các chu trình của TTK và các sơ đồ nguyên lý tương 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 dãn 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 thiết 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):

- Máy nén

(1)

- Tuabin

(2)

Trong đó: I = 1 - ( )i; ( )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 - chỉ 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 trình 1, 2 và 3 (xem hình 2) đã chấp nhận nhiệt độ của khói thoát là như nhau (Tkh.t = T14 = 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 với hai bộ làm mát trung gian (với ba bậc nén) và với hai lần gia nhiệt trung gian (ba bậc dãn). Các chu trình 4 (1) và chu trình 4 (2) là hai phần 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) mất hiệu entanpi (h 12 - h5), còn chu trình 4 (2) nhận được hiệu entanpi đó. Việc cắt đôi chu trình 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. Tiếp 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 nguyên cần phải sử dụng hai TTK chu trình hở (xem hình 2e), TTK thứ nhất vận hành theo chu trình 4 (1) và TTK thứ hai theo chu trình 4 (2). Trong trường hợp đó, để chuyển hiệu của các entanpi (h12 - h5) 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 giới 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 T51, điều đó đòi hỏi giảm một cách phù hợp mức tăng áp suất trong máy nén đó. Bởi vì để duy trì nhiệt độ T14 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 - T51 = T12 - T12

*, nghĩa là tỷ lệ thuận với áp lực nhiệt độ đã chấp nhận.

Trong phương án hai (hình 5, b) tất cả các thông số của chu trình 4 (2) được giữ nguyên không đổi, nhưng để thực hiện được áp suất theo nhiệt độ cần thiết thì quá trình làm mát các sản phẩm cháy của chu trình 4 (1) được thực hiện đến nhiệt độ T52 (nhiệt năng tận dụng bị giảm đi một trị số tỷ lệ thuận với hiệu các nhiệt độ T52 - T5

* = T12 - T12*). Tương ứng, sự thoát

nhiệt vào buồng đốt của chu trình 4 (2) sẽ tăng lên trị số như trên. Sự tăng sức cản của tuyến thải khói sau tuabin T2 do có sự có mặt của bộ trao đổi nhiệt giữa các chu trình đối với chu trình 4 (1) được bù trừ bởi việc loại bỏ bộ làm mát không khí ở đầu vào máy nén K3 (hút vào từ khí quyển) và bằng sự giảm nhiệt độ T7 đến nhiệt độ môi trường xung quanh.

Tổng công suất riêng và tổng hiệu suất của thiết bị chuẩn nhị nguyên sẽ thấp hơn một chút so với các chỉ tiêu tương ứng của chu trình 3 ban đầu, còn các trị số mà chúng bị giảm đi sẽ

được xác định bởi sức cản của thiết bị trao đổi nhiệt giữa các chu trình và áp suất theo nhiệt độ trong đó đã được chấp nhận. Khi cắt chu trình 3 thành các chu trình 4 (1) và 4 (2) thì giữa chúng đặt một thiết bị trao đổi nhiệt giữa các chu trình với hiệu suất (mức đun nóng) 0,935 và các sức cản tương đối từ phía gia nhiệt là p = 0,03; từ phía làm mát là p = 0,02. Kích thước định hướng của ma trận ống nhẵn: thể tích 1.215 m3, chiều dài 16 m (đường kính ngoài và đường kính trong là 27,5 mm và 22 mm). Nếu sử dụng các bề mặt trao đổi nhiệt tăng cường thì có thể giảm bớt các kích thước của bộ trao đổi nhiệt giữa các chu trình.

Hình 5. Sơ đồ thực hiện chu trình chuẩn nhị nguyên của tuabin khí.

a. Chu trình nhiệt động 4 (1); b. Chu trình nhiệt động 4 (2).

Công suất của các TTK đã xem xét ở trên được xác định với lưu lượng không khí ở đầu hút vào máy nén áp suất thấp từ khí quyển bằng G = 450 kg/s, còn công suất của phần tuabin hơi được đánh giá theo nhiệt lượng được tận dụng của khói thải từ TTK với TBKHH . LTN = 0,326 (LTN là hiệu suất của lò thu hồi nhiệt). Kết quả phân tích đã tiến hành với các sơ đồ khác nhau của các TTK được trình bày trong bảng sau.

Trong phương án nghiên cứu (xem hình 5b), độ sụt áp giữa các môi trường lạnh và nóng trong bộ trao đổi nhiệt là 1,9 MPa. Trong các TTK chu trình khép kín đốt nhiên liệu hữu cơ, độ sụt áp trong thiết bị hoàn nhiệt nằm trong giới hạn 1,965 - 2,89 Mpa, còn trong bộ trao đổi nhiệt nhiệt độ cao của TTK chu trình khép kín là 2,6 - 3,83 MPa. Do đó để tạo ra bộ trao đổi nhiệt giữa các chu trình có thể áp dụng kinh nghiệm chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt nhiệt độ cao.

Đồng thời sự sụt áp trong thiết bị trao đổi nhiệt giữa các chu trình có thể giảm được bằng việc cắt chu trình ban đầu theo đường đẳng áp đi qua dưới đường đẳng áp 7 - 13 (xem hình 2a), điều đó đòi hỏi “sự biến dạng” tương ứng của chu trình nhiệt động mở rộng ban đầu. Tuy nhiên, như đã nói ở trên, chu trình chuẩn nhị nguyên thực hiện trong trường hợp đó về tính kinh tế và công suất riêng chỉ thua kém chút ít chu trình ban đầu. Cần lưu ý rằng chu trình 4 (1) hao hao giống chu trình của TTK GT - 26 của hãng Alstom, còn chu trình 4 (2) tương tự chu trình TTK LMS100 của hãng GE, nghĩa là chúng tương ứng với các chu trình của các TTK thực tế.

Phân tích kinh tế kỹ thuật sơ bộ cho thấy sử dụng TTK chuẩn nhị nguyên tỏ ra đơn giản hơn và rẻ hơn so với TTK ban đầu vận hành theo chu trình V. V. Uvarov. Ngoài ra TTK chuẩn nhị nguyên đó có đặc điểm là các chi phí quy đổi thấp hơn so với hai TTK thông thường tính toán cho cùng tổng công suất đó.

Kết luận

1. Cơ sở của các thiết bị nhị nguyên 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%, và công suất 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%.

Chỉ tiêuChu trình của TTK (Hình 2)

1 2 3 4 (1) 4 (2)

K1 20 5 5 20 5

K2 - 20 4 - 4

K3 - - 20 - -

T1 20 5 5 5 20

T2 - 20 4 4 -

T3 - - 20 - -

Số bộ làm mát trung gian - 1 2 - 1

Số buồng đốt trung gian - 1 2 1 -

Pmax, MPa 2 10 40 2 2

NR, kW/(kg/s) 491 878 1.276 685 571

Hiệu suất TTK, % 45,7 53,5 57,3 54,5

NTTK, MW 219 394 575 556

NTTK /NTBH(tuabin hơi) 2,57 3,52 4,1 3,67

NTBKHH, MW 304 506 715 707

Hiệu suất, TBKHH, % 63,4 68,7 71,3 69,4

Ghi chú: 1. Các trị số Kvà T trong các chu trình 1-3 gần với các trị số tối ưu của chúng.

2. Nhiệt độ trước các tuabin bằng 1.600 K

b)a)

2. Ngày nay những thông số của TTK chu trình đơn (nhiệt độ khí trước tuabin và lưu lượng không khí qua máy nén) đã tiến gần các trị số giới hạn đối với các TTK đặt cố định, tuổi thọ dài. 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:

- giảm 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. Hiệu 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 việc 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.

KHCN Điện số 5/2008