Hiện nay, các thiết bị động lực hơi nước hoạt động dựa trên chu trình cơ bản của thiết bị động lực hơi nước, hay còn gọi là chu trình Rankine. Các thiết bị hơi nước làm việc theo chu trình này có thể thực hiện với hơi quá nhiệt và hơi bão hoà khô.
Các chu kỳ Rankine được sử dụng rộng rãi bởi các nhà máy điện như nhà máy điện chạy bằng than hoặc lò phản ứng hạt nhân . Hoạt động bằng cách sử dụng nhiên liệu để tạo ra nhiệt trong lò hơi, chuyển nước thành hơi sau đó nở ra qua tuabin tạo ra những công việc hữu ích.
Chu trình Rankine là gì?
Chu trình Rankine là chu trình cơ khí trong các nhà máy điện, nó làm nhiệm vụ chuyển đổi áp lực của hơi nước thành năng lượng cơ học bằng tuabin hơi nước.
Chu trình này được phát triển vào năm 1859 bởi kỹ sư người Scotland William JM Rankine. Đây là một chu trình nhiệt động lực học chuyển đổi nhiệt thành năng lượng cơ học – thường được biến đổi thành điện năng bằng cách phát điện .
Nguyên lý hoạt động:
Chất lỏng (thường là nước) được cung cấp một lượng nhiệt cao bằng lò hơi cho đến khi nước chuyển thành trạng thái hơi (do áp suất cao) khiến tuabin quay.
Hơi sau khi qua tua bị sẽ ngưng tụ thành trạng thái lỏng đồng thời loại bỏ hết năng lượng nhiệt thải và quay trở lại lò hơi, hoàn thành chu trình. Những tổn thất do ma sát thường không đáng kể so với tổn thất nhiệt động lực, đặc biệt là trong các hệ thống lớn.
Các thiết bị của chu trình Rankine
Trong chu trình Rankine có các thiết bị chính như: lò hơi, bộ quá nhiệt, tuabin hơi, máy phát, bình ngưng và bơm nước cấp.
Lò hơi: lò hơi sản xuất ra hơi nước nhờ quá trình đốt cháy nhiên liệu. Nhiên liệu sau khi cháy sẽ phát sinh nhiệt và thông qua bề mặt trao đổi nhiệt sẽ truyền nhiệt cho nước biến thành hơi nước bão hoà khô.
Bộ quá nhiệt: biến hơi nước ở trạng thái hơi nước bão hoà khô sang trạng thái hơi quá nhiệt nhờ vào nhiệt lượng nhiên liệu bị đốt cháy.
Tuabin hơi: hơi quá nhiệt áp suất và nhiệt độ cao sau khi ra khỏi bộ quá nhiệt được phun lên cánh tuabin làm trục tuabin quay kéo máy phát điện.
Máy phát: tiếp nhận công sinh ra từ tuabin để biến thành điện.
Bình ngưng: là thiết bị trao đổi nhiệt có nhiệm vụ biến hơi nước sau khi giãn nở sau tuabin thành trạng thái lỏng bão hoà. Quá trình này là quá trình ngưng tụ, hơi sẽ nhả nhiệt cho nguồn nước giải nhiệt bên ngoài.
Bơm nước cấp: đây là thiết bị nén nước sau khi ngưng tụở áp suất về áp suất cao để đưa trở lại lò hơi.
Các giai đoạn của chu trình
Có 4 giai đoạn trong chu trình Rankine. Các trạng thái được xác định bằng số (màu nâu) trong sơ đồ T - s.
Giai đoạn 1: Truyền nhiệt đẳng cấp
Chất lỏng có áp suất cao đi vào lò hơi từ bơm cấp liệu (1) và được làm nóng đến nhiệt độ bão hòa (2). Việc bổ sung thêm năng lượng gây ra sự bay hơi của chất lỏng cho đến khi nó được chuyển hoàn toàn thành hơi bão hòa (3).
Giai đoạn 2: Mở rộng đẳng hướng
Hơi được mở rộng trong tuabin, do đó tạo ra công có thể được chuyển đổi thành điện năng. Trong thực tế, sự giãn nở bị giới hạn bởi nhiệt độ của môi chất làm mát và bởi sự xói mòn của các cánh tuabin do chất lỏng cuốn theo dòng hơi khi quá trình di chuyển xa hơn vào vùng hai pha. Chất lượng hơi thoát ra phải lớn hơn 90%.
Giai đoạn 3: Từ chối nhiệt Isobaric
Hỗn hợp hơi-lỏng rời tuabin (4) được ngưng tụ ở áp suất thấp, thường trong bình ngưng bề mặt sử dụng nước làm mát. Trong các thiết bị ngưng tụ được thiết kế và bảo trì tốt, áp suất của hơi thấp hơn áp suất khí quyển, tiệm cận áp suất bão hòa của chất lỏng vận hành ở nhiệt độ nước làm mát.
Giai đoạn 4: Nén đẳng hướng
Áp suất của nước ngưng được nâng lên trong bơm cấp liệu. Do khối lượng riêng của chất lỏng thấp, công việc của máy bơm tương đối nhỏ và thường bị bỏ qua trong các tính toán nhiệt động lực học.
Đặc điểm chu trình Rankine
Chu trình Rankine mô tả chặt chẽ quá trình các động cơ nhiệt hoạt động bằng hơi nước thường thấy trong các nhà máy phát điện nhiệt tạo ra năng lượng. Công suất phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh. Chênh lệch càng cao, năng lượng cơ học càng được tạo ra từ năng lượng nhiệt càng lớn.
Nguồn nóng hay còn gọi là nguồn tạo nhiệt, sử dụng các nhiên liệu được hình thành tự nhiên (nhiên liệu hóa thạch) như dầu mỏ, than đá, khí đốt tự nhiên,…. được đốt cháy để tạo nhiệt độ cao. Nhiệt độ vào tuabin khoảng 565°C và ngưng tụ hơi 30°C sẽ mang lại hiệu suất lý tưởng cho chu trình.
Nguồn lạnh trong chu trình rankine là nơi có nhiều nước, nước chảy mạnh như sông hoặc biển, đó là lý do vì sao các nhà máy điện đều đặt ở các con sông lớn.
Ngoài nước thì cũng có rất nhiều chất lỏng khác được sử dụng làm nguồn lạnh của chu trình Rankine nhưng suy cho cùng lợi ích của nguồn lạnh nước này là sự phong phú, không độc hại, chi phí thấp và và đặt tính nhiệt động của nó. Hơi nước được ngưng tụ, giúp giảm áp suất đầu ra của tuabin và bơm cấp liệu chỉ tiêu thụ chưa đến 3% công suất đầu ra mang lại hiệu quả cao hơn.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chu trình.
Ảnh hưởng của áp suất hơi nước lên tuabin:
Tăng áp suất ban đầu của hơi nước trước khi vào tuabin trong khi vẫn giữ nhiệt độ ban đầu và áp suất hơi ra khỏi tuabin hơi không đổi làm tăng hiệu suất chu trình.
Tuy nhiên, khi tăng áo suất ban đầu sẽ làm giảm độ khô của hơi khi ra khỏi tuabin dẫn đến sự va đập của các hạt nước vào cánh tuabin làm giảm độ bền của tuabi và hiệu suất cơ cũng giảm theo.
Ảnh hưởng của nhiệt độ hơi vào tuabin (t1):
Khi áp suất hơi vào và ra khỏi tuabin không đổi, nếu tăng nhiệt độ hơi vào tuabin sẽ làm tăng hiệu suất chu trình.
- Khi tăng t1, nhiệt độ trung bình của quá trình cấp nhiệt sẽ tăng lên, trong khi đó nhiệt độ trung bình của quá trình thải nhiệt không đổi nên hiệu suất chu trình rankine sẽ tăng lên.
- Mặt khác, khi tăng t1 dẫn đến độ ẩm phần cuối tuabin giảm, tránh được bớt sự xâm thực cơ học của các tầng cánh cuối.
- Tuy nhiên, khả năng tăng t1 phụ thuộc vào điều kiện chế tạo kim loại (vì bộ quá nhiệt của lò hơi sẽ làm việc trong môi trường nhiệt độ và áp suất cao dễ dẫn đến sự cố).
Ảnh hưởng của hơi ra khỏi tuabin:
Khi áp suất và nhiệt độ ban đầu của hơi nước không đổi, nếu giảm áp suất hơi ra ở tuabin thì hiệu suất chu trình Rankine cũng tăng lên.
Thực vậy, khi giảm áp suất hơi ra khỏi tuabin xuống, dẫn đến nhiệt độ của hơi trong bình ngưng cũng giảm theo và làm tăng hiệu suất chu trình.
Trên đây là những thông tin cơ bản cần thiết khi muốn tìm hiều về chu trình Rankine.
Lò hơi Bách Khoa chúng tôi cung cấp và lắp đặt các thiết bị phục vụ cho chu trình Rankine như lò hơi, bộ quá nhiệt, bơm cấp nước,… Nếu bạn đang có nhu cầu, hãy gọi cho chúng tôi để được tư vấn với dịch vụ và giá cạnh tranh nhất.
