Với mục tiêu giảm tiêu thụ nhiên liệu than đá, nâng cao hiệu quả vận hành nhà máy điện và giảm lượng phát thải CO2 ra môi trường. Một nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp, được trang bị tuabin khí hiệu suất cao và phần đuôi hơi được thiết kế tối ưu, là một giải pháp đáp ứng được những mục tiêu đó.
Sự phong phú của nhiên liệu khí, bao gồm khí thiên nhiên và khí thiên nhiên hóa lỏng là cơ sở quan trọng thúc đẩy sự gia tăng các nhà máy sản xuất điện sử dụng nhiên liệu khí.
Tuabin khí là gì?
Tuabin khí là một loại động cơ nhiệt được sử dụng để chuyển đổi nhiệt năng thành năng lượng cơ học thông qua quá trình đốt cháy khí và chuyển động quay tuabin. Động cơ gồm ba bộ phận chính là khối máy nén khí dạng rotor (chuyển động quay), buồng đốt đẳng áp loại hở và khối tua bin khí rotor. Khối máy nén và khối tua bin có trục được nối với nhau để tua bin làm quay máy nén.
Cấu tạo tuabin khí
Khối nén khí
Khối nén khí là một trong các khối công năng chính của động cơ tuabin khí có chức năng làm tăng nội năng (áp suất) không khí tạo áp suất cho đỉnh trên ,cho quá trình giãn nở sinh công. Áp suất sau máy nén càng cao thì hiệu suất nhiệt động lực học càng lớn, do đó máy nén khí quyết định hiệu suất của động cơ.
Tại các động cơ tuabin khí hiện đại đòi hỏi tỷ số nén (Áp suất sau máy nén/áp suất trước máy nén) phải từ 10-20. Tất cả các loại máy nén khí trong động cơ tuabin khí đều theo nguyên tắc dùng rãnh diffuser (thiết diện rãnh khí nở ra) để biến động năng (vận tốc) của dòng không khí thành nội năng (áp suất).
Khối nén khí của động cơ tuốc bin khí có thể gồm các loại như:
- Máy nén khí ly tâm: không khí từ cửa hút gần trục, dưới tác dụng của lực ly tâm chạy theo rãnh của cánh ly tâm chạy ra bán kính lớn hơn.
- Máy nén khí dọc trục: là loại thông dụng nhất. Trong loại máy nén này không khí bị các đĩa cánh quạt gia tăng vận tốc tuyệt đối và lùa không khí chảy dọc trục trong các rãnh khí giữa các cánh quạt.
- Máy nén ly tâm dọc trục: kết hợp tính chất của hai loại máy nén cơ bản trên.
Buồng đốt
Buồng đốt của động cơ tuabin khí là loại ống lửa hở, thường là khoảng 7- 10 ống được bố trí thành vòng tròn xung quanh trục động cơ phía sau khối nén và phía trước tuabin. Mỗi ống lửa có một vòi phun nhiên liệu đặt ở mặt phía trước.
Ống lửa thường là các đốt thép hình côn (giống như các đốt con nhộng) được đặt so le gối đầu và được hàn với nhau, tại các đường hàn đó có rất nhiều các lỗ nhỏ (đường kính lỗ 0,5-1mm).
Khối tuabin
Tuabin là khối sinh công có ích hoạt động theo nguyên tắc biến nội năng và động năng của dòng khí nóng áp suất và vận tốc cao thành cơ năng có ích dưới dạng mô men quay cánh tuabin: tại cánh tuabin dòng khí nóng giãn nở sinh công. Các cánh tuabin khác với cánh máy nén ở hình dạng thiết diện rãnh khí tại tuabin là thiết diện hội tụ (converge): vận tốc tương đối trong rãnh khí tăng lên làm giảm áp suất, nhiệt độ không khí.
Vai trò của tuabin khí trong nhà máy nhiệt điện
Tuabin khí đốt cháy nhiên liệu
Không khí nén được trộn với nhiên liệu khí sau đó được đốt trong buồng đốt ở nhiệt độ rất cao, còn gọi là “Nhiệt độ buồng đốt”. Hỗn hợp khí nóng sau khi đốt sẽ di chuyển qua các tầng cánh, làm cánh quạt quay. Tuabin quay với tốc độ nhanh làm chạy máy phát, chuyển hóa một phần năng lượng của chuyển động quay thành điện năng. Máy phát điện tuabin khí có thể có công suất tới 480MW.
Nguyên lý hoạt động: Nhiệt độ buồng đốt tuabin càng cao thì hiệu suất vận hành nhà máy càng cao.
Máy nén khí quay làm không khí từ cửa hút của máy nén được nén lại để tăng áp suất, trong quá trình đó không chỉ áp suất tăng mà nhiệt độ cũng tăng ngoài ý muốn. Đây là quá trình tăng nội năng không khí trong máy nén, sau đó không khí chảy qua buồng đốt, tại đây nhiên liệu (dầu) được đưa vào để trộn và đốt một phần không khí. Quá trình cháy là quá trình gia nhiệt đẳng áp trong đó không khí bị gia nhiệt tăng nhiệt độ và thể tích mà không tăng áp suất. Thể tích không khí được tăng lên rất nhiều và có nhiệt độ cao được thổi về phía Tuabin với vận tốc rất cao. Tua bin là khối sinh công, tại đây không khí tiến hành giãn nở sinh công, nội năng biến thành cơ năng, áp suất, nhiệt độ và vận tốc không khí giảm xuống biến thành năng lượng cơ học dưới dạng mômen tạo chuyển động quay cho trục Tuabin. Tuabin quay sẽ truyền mômen quay máy nén cho động cơ tiếp tục làm việc. Phần năng lượng còn lại của dạng khí nóng chuyển động với vận tốc cao tiếp tục sinh công có ích. Tuỳ thuộc theo thiết kế của từng dạng động cơ phụt thẳng ra tạo phản lực nếu là động cơ phản lực của máy bay hoặc quay Tuabin tự do (không nối với máy nén khí) để sinh công năng hữu dụng đối với các loại động cơ Tuabin khí khác.
Ưu điểm và nhược điểm của tuabin khí
Ưu điểm:
- Kết cấu đơn giản, chi phí đầu tư thấp hơp so với nhà máy nhiệt điện và nhà máy thủy điện.
- Tính cơ động vận hành cao, khả năng mở máy nhanh, thay đổi tải lớn.
- Vận hành không cần có nước hay yêu cầu cần nước rất ít.
- Cho công suất cực mạnh với một khối lượng và kích thước nhỏ gọn, chỉ số công suất riêng (mã lực/kg) của loại động cơ này lớn gấp hàng chục lần động cơ diesel.
Nhược điểm:
- Giá thành nhiên liệu cao
- Giá thành vật liệu chi phí sản xuất cao hơn
- Có hiệu suất nhiệt động lực học thấp hơn (khoảng 2/3 so với động cơ Diesel) dẫn đến tính kinh tế kém hơn, hiệu suất giảm sút nhanh khi chạy ở chế độ thấp tải.
Kết luận
Cho tới thời điểm này, năng lượng than đá đang cung cấp xấp xỉ 30% lượng điện năng trên toàn thế giới, vẫn là đầu vào chính cho ngành sản xuất năng lượng tại Việt Nam. Trong khi đó, sự phong phú nguyên liệu khí đốt, bao gồm khí ga tự nhiên và khí tự nhiên hóa lỏng, tiếp tục làm gia tăng số lượng các nhà máy năng lượng khí đốt, mặc dù chi phí nhiên liệu có thể chiếm tới 70% tổng chi phí vận hành. Vì vậy, sự có mặt của công nghệ đột phá sẽ làm tăng hiệu quả của công tác sản xuất năng lượng và đảm bảo tính cạnh tranh. Cùng với chiến lược sử dụng năng lượng đầu vào hợp lý, các công nghệ này sẽ giúp đảm bảo cả yếu tố bền vững và chi phí hợp lý cho người tiêu dùng. Do đó, có thể khẳng định, các nhà máy điện khí sử dụng tuabin khí công nghệ H có thể cải thiện việc cung ứng điện “chất lượng cao” với chi phí thấp hơn.
