Phương hướng nâng cao công suất và hiệu suất của thiết bị tua bin khí

Phương hướng nâng cao công suất và hiệu suất của thiết bị tua bin khí chu trình hỗn hợpSau 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...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phương hướng nâng cao công suất và hiệu suất của thiết bị tua bin khí Phương hướng nâng cao công suất vàhiệu suất của thiết bị tua bin khí chutrình hỗn hợpSau nửa thế kỷ phát triển mạnh mẽ, tuabin khí đã đạt tới đỉnh cao hoànthiện: hiệu suất của thiết bị tuabin khí (TTK) chu trình đơn đã tăng trên hailần và đạt tới gần 40%, còn công suất đơn vị tổ máy lên tới 300 MW. Đó lànhờ 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 phậnnóng nhất, kể cả các vỏ bọc rào nhiệt, nhiệt độ khí đã tăng thêm đượckhoảng 800 K và đạt trị số 1.770 K. Công suất đơn vị của tuabin khí với hệsố nén c = 18 ÷ 21 và lưu lượng không khí đầu vào máy nén 730 ÷ 740kg/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.Đốivới những tuabin khí có tiềm năng lớn, nếu tăng nhiệt độ lên cao hơn sẽ dẫntới tăng tiêu hao năng lượng cho hệ thống làm mát, điều đó dẫn đến làmgiảm hiệu quả tương đối từ sự tăng nhiệt độ.Hình 1 trình bày động thái thay đổi hiệu suất và công suất riêng của TTKtrong 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 lượngcủa máy nén, còn việc tăng nhiệt độ khí trước tuabin khí không phải là vôhạn. Ít có khả năng nâng cao đáng kể hiệu suất và công suất đơn vị của TTKtheo chu trình đơn Brighton, trong khi đó, nếu sử dụng các chu trình nhiệtđộng mở rộng của G.I. Zotikov hoặc V. V. Uvarov, vấn đề đó có thể giảiquyết một cách thắng lợi. Xu thế phức tạp hóa chu trình của TTK đã đượcthể hiện trong các công trình nghiên cứu triển khai của nhiều hãng có uy tínở 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 cácchuyên gia Nhà máy chế tạo tuabin - máy phát điện Kharkov và Trường đạihọc Kỹ thuật công nghiệp Matxcơva), với nhiệt độ khí trước tuabin 1.023K, tổng mức tăng áp suất trong máy nén c = 128 và với khả năng truyềnkhông khí qua máy nén 453 kg/s thì công suất tính toán và hiệu suất tươngứng là 200 MW và 39,5%.Khi qui đổi về nhiệt độ khí trước tuabin 1.473 K và giữ nguyên như trướccác 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 MitsubishiMPCP1-701G2 với nhiệt độ khí trước tuabin bằng 1.773 K, lưu lượng khôngkhí qua máy nén là 737 kg/s có hiệu suất 39,5% và công suất 334 MW, còncông suất của TBKHH được tổ hợp trên cơ sở TTK đó là 489 MW với hiệusuất 58,7%.Thí dụ về việc thực hiện TTK theo chu trình V. V. Uvarov với số lượng hợpthể ít hơn là việc chế tạo TTK GT-100-750 năm 1970 (một lần làm máttrung gian và một quá trình cháy trung gian). Đó là thành tựu đáng kể củangành chế tạo TTK ở Nga. Sau đó ở Nhật, khi nghiên cứu triển khai TTKkiểu AGTJ-100A theo chương trình Ánh sáng trăng thực tế đã tái tạo lại sơđồ nhiệt động của GT-100-750. Khi đó, giải thích về giải pháp của họ, cácchuyên gia Nhật đã nêu lý do là với việc giới hạn nhiệt độ khí trước tuabinthì con đường duy nhất để tăng công suất đơn vị và hiệu suất TTK là chuyểnsang chu trình nhiệt động mở rộng. Thiết bị AGTJ - 100A đã được sử dụngđể vận hành trong TBKHH (chu trình nhị nguyên). Với nhiệt độ của sảnphẩm cháy sau buồng đốt chính là 1.573 K và của buồng đốt trung gian là1.444 K thì hiệu suất sẽ là 38%, còn công suất khi lưu lượng không khí ởđầu 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 làTTK GT-26 của hãng Alstom trong đó có một tầng nén, hai tầng dãn vàbuồng đốt trung gian nằm giữa hai tầng này. Với mức tăng áp (còn gọi là tỷsố nén) là 30 thì chu trình nhiệt động mở rộng nói trên đã cho phép đạt đượccông suất riêng 443 kWs/kg giống như ở TTK MPCP1 - 701G2 của hãngMitsubishi. 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 ápcao, kết quả là áp suất tuyệt đối của chất công tác ở cuối quá trình nén đạttrên 10 MPa. Áp suất cao như vậy gây khó khăn trong việc chế tạo TTKtrong thực tế. Tuy nhiên điều đó có thể tránh được. Để giải thích ý tưởng nàycần phải quay lại với chu trình Carnot. Nếu cắt chu trình theo đường đẳng ápthành hai chu trìnhCarnot với mức tăng áp suất ghép với mức tăng áp ởmỗi chu trình 1 = 2 = (trong đó áp suất ban đầu trong mỗi chu trình đó là ápsuất khí quyển), ...