Chu trình nhiệt của nhà máy nhiệt điện

Đồ Án Tốt Nghiệp:Tính Tốn Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp

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 chutrình đơn. Về mặt lý thuyết hiệu suất nhiệt khi kết hợp các q trình nhiệt với nhau dù chúng có hoạt động trong cùng điều kiện làm việc hoặc khác nhau hay khơng. Tuy nhiênsự 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.Thơng 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 q 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 tồn diện với các q trình nhiệt động tối ưu của nhiệt lượng ở dãi nhiệt độ cao và nhiệt thừatrao 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 cơng nhận rộng rải nhiều nơi đó là nhà máy nhiệt điện hỗn hợp tuabin khí tuabin hơi. Bởi vì nhà máy loại này sửdụng 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 mởtuabin khí kèm theo sau bởi một q trình hơi. Nhiệt thừa từ tuabin khí được dùng để sản sinh hơi cấp cho tuabin hơi.SVTH:Lý Hoàng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh GVHD: TS Trần Thanh SơnTrang 5Đồ Án Tốt Nghiệp:Tính Tốn Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn HợpHình 1.1: Sơ đồ đơn giản hệ thống nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp tuabin khí-hơi1 – Máy nén 2 – Tuabin khí3 – Thiết bị sinh hơi 4 – Tuabin hơi5 - Thiết bị ngưng tụ 6 - Cửa cấp nhiên liệu tuabin khíSVTH:Lý Hồng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh GVHD: TS Trần Thanh SơnTrang 6Đồ Án Tốt Nghiệp:Tính Tốn Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn HợpNhững 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 loạiLiBr hay hơi NH3. - Quá trình bay hơi thủy ngân thi khơng còn ứng dụng nhiều kể từ khi nhà máynhiệt điện hơi đối lưu đã đạt được hiệu suất cao hơn nó. - Mơi chất hấp phụ hay hơi amoniac thì có những ưu điểm hơn so với nước ởdải nhiệt độ thấp như thiết bị gọn hơn, khơng gây ẩm ướt. Tuy nhiên chúng có nhược điểm là vốn đầu tư đắt, ảnh hưởng tới môi trường .v.v. là trở ngạilớn 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 nướchơi thì có hiệu quả nhất. Tất nhiên một số trường hợp ápdụng 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 rộngrãi 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 chutrình đơn. Vì thế tiết kiệm được vốn đầu tư - Khơng khí là một mơi chất tương đối an tồn, sạch và rẻ có thể được sử dụngtrong các tuabin khí hiện đại có mức nhiệt độ cao hơn 1000 C. Vì thế cung cấp đượcđiều kiện tối ưu cho “chu trình đầu”. Ngồi ra q trình hơi sử dụng nước củng là môi chất kinh tế và dễ kiếm, nhưngnên 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 hồn tồn có lý khi sử dụng quátrình 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 nhữngnăm 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.SVTH:Lý Hồng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Cơng Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh GVHD: TS Trần Thanh SơnTrang 7Đồ Án Tốt Nghiệp:Tính Tốn Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn HợpNgày nay tổng cơng suất cài đặt của các nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp tuabin khí tuabin hơi trên tồn bộ thế giới đã trên 30.000 MW 1997, và đang tăng rấtnhanh 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 chutrình 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 Ơ Mơn II cơng suất 750 MW quy hoạch - Trung Tâm Nhiệt Điện Miền Nam tổng cơng suất 2250 MW quy hoạchSVTH:Lý Hồng Minh - Lớp 03N1 – Khoa Công Nghệ Nhiệt-Điện Lạnh GVHD: TS Trần Thanh SơnTrang 8Đồ Án Tốt Nghiệp:Tính Tốn Kiểm Tra Nhiệt Nhà Máy Nhiệt Điện Chu Trình Hỗn Hợp

Các chu kỳ Rankine hoặc Rankine Cycle là chu trình 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. Vậy chi tiết chu trình rankine là gì? Có bao nhiêu giai đoạn rankine? Tất cả sẽ được thông tin ngay trong bài viết này.

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 rankine hoạt động với sự góp mặt của các thành phần chính là tuabin quay, máy bơm nồi hơi, bình ngưng tĩnh và lò hơi.

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.

Như đã được giới thiệu chu trình Rankine là một mô tả chặt chẽ quá trình hoạt động của hơi nước trong các nhà máy điện, khai thác lượng nhiệt năng của nhiên liệu để tạo ra điện. Sinh nhiệt bằng cách đốt các nhiên liệu tạo ra công suất lớn. Quá trình đốt cháy và sinh nhiệt cần có sự phối hợp giữa nguồn nóng và nguồn lạnh.

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, mang lại hiệu suất lý tưởng.

Phải có sự chênh lệch giữa giữa nhiệt độ để tạo hiệu suất cao nhất, chính vì thế cần có sự góp mặt của nguồn lạnh trong chu trình rankine. Có thể hiểu 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 nóng 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.

Chu trình Rankine là chu trình vận hành cơ bản của tất cả các nhà máy điện nơi chất lỏng vận hành liên tục bay hơi và ngưng tụ. Việc lựa chọn chất lỏng vận hành phụ thuộc chủ yếu vào phạm vi nhiệt độ có sẵn. Chu trình rankine bao gồm 4 giai đoạn sau đây:

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].

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%.

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.

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.

Hiểu một cách đơn giản chu trình rankine là chu trình hoạt động của dòng hơi đo lường hiệu quả bằng hiệu suất của tuabin. Còn chu trình Brayton là chu trình nhiệt động học có hiệu quả giữa pha lỏng và hơi. Ngoài ra, chu trình rankine có đến 4 thành phần còn chu trình Brayton chỉ có 3 thành phần.

Trên đây là tất cả những thông tin dễ hiểu nhất về chu trình rankine, từ khái niệm đặc điểm đến các giai đoạn hoạt động. Nếu anh em có cách hiểu nào đơn giản hoàn chỉnh hơn có thể chia sẻ để mọi người cùng tham khảo nhé!

* Bài viết này có sự tham khảo trên Wikipedia Việt Nam

Mecsu Blog