LỜI MỞ ĐẦU Đất nƣớc ta đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Trong quá trình này điện năng đóng một vai trò vô cùng quan trọng. Điện không những cung cấp cho các ngành công nghiệp mà nhu cầu sinh hoạt của ngƣời dân cũng ngày một tăng lên. Chính vì lí do đó nên ngành điện luôn là ngành mũi nhọn của nƣớc ta. Đó là niềm vinh dự và cũng là trọng trách cho những ai công tác, làm việc trong ngành. Bản than em cũng rất tự hào khi mình là một sinh viên ngành điện Sau 4 năm học tại trƣờng em đã đƣợc giao đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu khái quát về sản xuất điện năng và làm mát máy phát tuabin hơi. Đi sâu hệ thống hòa đồng bộ” do PGS. TS Hoàng Xuân Bình trực tiếp hƣớng dẫn. Đồ án gồm các phần chính sau: Chƣơng 1: Khái quát về sản xuất điện năng sử dụng tuabin hơi Chƣơng 2: Máy phát điện đồng bộ và các hệ thống làm mát máy phát tuabin hơi Chƣơng 3: Hệ thống hòa đồng bộ máy phát điện Trong quá trình làm đồ án em đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ. Đặc biệt là PGS. TS Hoàng Xuân Bình là ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn em. Tuy nhiên với lƣợng kiến thức và thời gian có hạn của mình nên không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận đƣợc các ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn để hoàn thiện đề tài của mình hơn. Hải Phòng, ngày…tháng…năm 2014 Sinh viên thực hiện Ngô Quang Thành 1 CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG SỬ DỤNG TUABIN HƠI 1.1. KHÁI QUÁT VỀ CÔNG NGHỆ MÁY PHÁT TUABIN HƠI 1.1.1. Các nhà máy nhiệt điện Trong nhà máy nhiệt điện ngƣời ta dùng nhiên liệu là than đá, dầu hoặc khí đốt, trong đó than đá đƣợc sử dụng rộng rãi nhất. Để quay máy phát điện, trong nhà máy nhiệt điện dùng tuabin hơi nƣớc, máy hơi nƣớc (lô cô mô bin), động cơ đốt trong và tuabin khí, tuanbin hơi nƣớc có khả năng cho công suất cao và vận hành kinh tế nên đƣợc sử dụng rộng rãi nhất. a. Ưu điểm: - Có thể xây dựng gần khu công nghiệp và nguồn cung cấp nhiên liệu để giảm chi phí xây dựng đƣờng dây tải điện và chuyên chở nhiên liệu. - Thời gian xây dựng ngắn (3 ÷ 4) năm. - Có thể sử dụng đƣợc các nhiên liệu rẻ tiền nhƣ than cám, than bìa ở các khu khai thác than, dầu nặng của các nhà máy lọc dầu, trấu của các nhà máy xay lúa … b. Nhược điểm: - Cần nhiên liệu trong quá trình sản xuất do đó giá thành điện năng cao. - Khói thải làm ô nhiễm môi trƣờng. - Khởi động chậm từ 6 ÷ 8 giờ mới đạt công suất tối đa, điều chỉnh công suất khó, khi giảm đột ngột công suất phải thải hơi nƣớc ra ngoài vừa mất năng lƣợng vừa mất nƣớc. - Hiệu suất thấp: η = 30 ÷ 40 % ( NĐN) ; η = 60 ÷ 70 % ( NĐR). 2 1.1.2. Nguyên lý làm việc của nhà máy nhiệt điện Nƣớc ta do nền công nghiệp còn chậm phát triển tiềm năng về kinh tế còn yếu. Do đó xây dựng chủ yếu nhà máy nhiệt điện dùng Tuabin hơi hoặc dùng chu trình hỗn hợp, trong đó biến đổi năng lƣợng của nhiên liệu thành điện năng. Ta xét chu trình renkin là chu trình nhiệt đƣợc áp dụng trong tất cả các loại nhà máy nhiệt điện, môi chất làm việc trong chu trình là nƣớc là hơi nƣớc. Tất cả các thiết bị của các nhà máy nhiệt điện đều giống nhau trừ thiết bị sinh hơi . Trong các thiết bị sinh hơi, nƣớc nhận nhiệt để biến thành hơi. Đối với nhà máy nhiệt điện, thiết bị sinh hơi là lò hơi, trong đó nƣớc nhận nhiệt từ quá trình đốt cháy nhiên liệu. II 1 III 5 VI 4 I 3 2 V IV 2 Hình 1.1. Sơ đồ thiết bị nhà máy nhiệt điện Sơ đồ thiết bị của chu trình nhà máy nhiệt điện đƣợc trình bày trên hình 1.1, gồm 2 thiết bị chính để biến đổi năng lƣợng là lò hơi và tuabin cùng một số thiết bị phụ khác. Đồ thị T-s của chu trình đƣợc biểu diễn trên hình 1.2. Nƣớc ngƣng trong bình ngƣng IV (ở trạng thái 2’ trên đồ thị) có thông số p2 , t2 , i2 , đƣợc bơm vào thiết bị sinh hơi I, áp suất tăng từ p2 đến p1 (quá trình 2’ – 3). Trong thiết bị sinh hơi, nƣớc trong các ống sinh hơi nhận nhiệt tỏa ra từ quá trình cháy, nhiệt độ tăng lên đến sôi (quá trình 3-4), hóa hơi (quá 3 trình 4-5) và thành hơi quá nhiệt trong bộ quá nhiệt II (quá trình 5-1). Qúa trình 3-4-5-1 là quá trình hóa hơi đẳng áp ở áp suất p1 = const. Hơi ra khỏi bộ quá nhiệt II (ở trạng thái ) có thông số p1 = const. Hơi ra khỏi bộ quá nhiệt II (ở trạng thái 1) có thông số p1 , t1 đi vào tuốc bin III, ở đây hơi dãn nở đoạn nhiệt đến trạng thái 2, biến nhiệt năng thành cơ năng (quá trình 1-2) và sinh công trong tuabin . Hơi ra khỏi tuabin có thông số p2 , t2 , đi vào bình ngƣng IV, ngƣng tụ thành nƣớc (quá trình 2-2’), rồi lại đƣợc bơm V bơm trở về lò. Qúa trình nén đoạn nhiệt trong bơm có thể xem là quá trình nén đẳng tích vì nƣớc không chịu nén [tr4;TL8] T P 1 1 5 4 P 2 3 2' 2 0 S Hình 1.2. Đồ thị T-s của chu trình nhà máy nhiệt điện 1.2. PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ĐIỆN NĂNG TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.2.1. Qúa trình sản xuất điện năng của nhà máy nhiệt điện Phả Lại Sơ đồ nguyên lý quá trình sản xuất điện năng đƣợc trình bày trong hình 1.3 Từ kho nhiên liệu 1 (than,dầu), qua hệ thống cấp nhiên liệu 2, nhiên liệu đƣợc đi qua lò 3. Nhiên liệu đƣợc sấy khô bằng không khí từ quạt gió 10, qua bộ sấy không khí 12. Nƣớc đã đƣợc sử lý hóa học, qua bộ hâm nƣớc 13 đƣa vào nồi hơi của lò. Trong lò xảy ra phản ứng cháy: hóa năng biến thành 4 nhiệt năng. Khói, sau khi qua bộ hâm nƣớc 13 và bộ sấy không khí 12 để tận dụng nhiệt, thoát ra ngoài qua ống khói nhờ quạt khói 11. Nƣớc trong nồi hơi nhận nhiệt năng, biến thành hơi có thông số cao (áp suất P = 130 ÷ 240 Kg/ cm2 , nhiệt độ t = 540 ÷ 5650 C) và đƣợc dẫn đến tuabin 4. Tại đây, áp suất và nhiệt độ của hơi nƣớc giảm cùng với quá trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng để quay tuabin. 1 18 2 9 10 13 3 12 11 16 19 4 8 5 6 15 14 7 17 Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý quá trình sản xuất điện năng của nhà máy nhiệt điện Phả Lại Hệ thống trên hình 1.3 bao gồm : 1: Kho nhiên liệu; 2: Hệ thống cấp nhiên liệu; 3: Lò hơi; 4: Tuabin; 5: Bình ngƣng; 6: Bơm tuần hoàn; 7: Bơm ngƣng tụ; 8: Bơm ngƣng nƣớc; 9: Vòi đốt; 10: Quạt gió; 11: Quạt khói; 12: Bộ sấy không khí; 13: Bộ hâm nƣớc; 14: 5 Bình gia nhiệt hạ áp; 15: Bộ khử khí; 16: Bình gia nhiệt cao áp; 17: Sông,ao,hồ; 18: Ống khói; 19: Máy phát điện Tuabin quay làm mát máy phát: cơ năng biến thành điện năng . Hơi nƣớc sau khi ra khỏi tuabin có thông số thấp 9 (áp suất P = 0,03- 0,04 Kg/ cm2 ; nhiệt độ t = 40o C) đi vào bình ngƣng 5. Trong bình ngƣng,hơi nƣớc đọng thành nƣớc nhờ hệ thống làm lạnh tuần hoàn. Nƣớc làm lạnh (5 ÷ 25o C) có thể lấy từ sông , hồ bằng bơm tuần hoàn 6. Để loại trừ không khí lọt vào bình ngƣng, bơm tuần hoàn chọn loại chân không . Từ bình ngƣng 5, nƣớc ngƣng tụ đƣợc đƣa qua bình gia nhiệt hạ áp 14 và đến bộ khử khí 15 nhờ bơm ngƣng tụ 7. Để bù lƣợng nƣớc thiếu hụt trong quá trình làm việc, thƣờng xuyên có lƣợng nƣớc bổ xung cho nƣớc cấp đƣợc đƣa qua bộ khử khí 15. Để tránh ăn mòn đƣờng ống và các thiết bị làm việc với nƣớc ở nhiệt độ cao, trƣớc khi đƣa vào lò, nƣớc cấp phải đƣợc xử lý (chủ yếu khử O2 , CO2 ) tại bộ khử khí 15. Nƣớc ngƣng tụ và nƣớc bổ sung sau khi đƣợc xử lý, nhờ bơm cấp nƣớc 8 đƣợc qua bình gia nhiệt cao áp 16, bộ hâm nƣớc 13 rồi trở về nồi hơi của lò 3 Ngƣời ta cũng trích một phần hơi nƣớc ở một số tầng của tuabin để cung cấp cho các bình gia nhiệt hạ áp 14, cao áp 16 và bộ khử khí 15. [tr21;TL6] 1.2.2. Các thiết bị chính nhà máy nhiệt điện a. Lò hơi + Vai trò của lò hơi Lò hơi là thiết bị trong đó xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu , nhiệt lƣợng tỏa ra sẽ biến nƣớc thành hơi,biến năng lƣợng của nhiên liệu thành nhiệt năng của dòng hơi Trong nhà máy điện lò hơi sản xuất ra hơi để làm quay tuabin, phục vụ cho việc sản xuất điện năng, đòi hỏi phải có công suất lớn, hơi là hơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt độ cao 6 Nhiên liệu đốt trong lò hơi có thể là nhiên liệu rắn nhƣ than, củi, … có thể là nhiên liệu lỏng nhƣ dầu nặng (FO), dầu (DO) hoặc nhiên liệu khí + Nguyên lý làm việc của lò hơi trong nhà máy điện Trong các lò hơi nhà máy điện, hơi đƣợc sản xuất ra là hơi quá nhiệt. Hơi quá nhiệt nhận đƣợc nhờ các quá trình: đun nóng nƣớc đến sôi, sôi để biến nƣớc thành hơi bão hòa và quá nhiệt hơi để biến hơi bão hòa thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao trong các bộ phận của lò. Công suất của lò hơi phụ thuộc vào lƣu lƣợng, nhiệt độ và áp suất hơi. Các giá trị này càng cao thì công suất lò hơi càng lớn. Hiệu quả của quá trình trao đổi nhiệt giữa ngọn lửa và khói với môi trƣờng trong lò hơi phụ thuộc vào tính chất vật lý của môi trƣờng (sản phẩm cháy) và của môi chất tham gia quá trình (nƣớc hoặc hơi) và phụ thuộc vào hình dáng cấu tạo,đặc tính của các phần tử lò hơi. Nguyên lý cấu tạo của 1 lò hơi tuần hoàn tự nhiên hiện đại đƣợc biểu diễn trên hình 1.4. Nhiên liệu và không khí đƣợc phun qua vòi phun 1 vào buồng lửa 2, tạo thành hỗ hợp cháy và đƣợc đốt cháy trong buồng lửa, nhiệt độ ngọn lửa có thể nên tới 19000 C. Nhiệt lƣợng tỏa ra khi nhiên liệu cháy truyền cho nƣớc trong dàn ống sinh hơi 3, nƣớc tăng dần nhiệt độ đến sôi biến thành hơi bão hòa. Hơi bão hòa theo ống sinh hơi 3 đi lên,tập trung vào bao hơi 5. Trong bao hơi 5 hơi đƣợc phân li ra khỏi nƣớc, nƣớc tiếp tục đi xuống theo ống 4 đặt ngoài tƣờng lò rồi lại sang ống sinh hơi 3 để tiếp tục nhận nhiệt. Hơi bão hòa từ bao hơi 5 sẽ đi qua ống góp hơi 6 vào các ống xoắn của bộ quá nhiệt 7. Ở bộ quá nhiệt 7, hơi bão hòa chuyển động trong các ống xoắn sẽ nhận nhiệt từ khói nóng chuyển động phía ngoài ống để biến thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao hơn và đi vào ống góp để sang tuabin hơi và biến nhiệt nang thành cơ năng làm quay tuabin[TL8] 7 Hình 1.4. Nguyên lý cấu tạo của lò hơi Trong hình 1. 4 gồm có:1: Vòi phun nhiên liệu+ không khí; 2: Buồng đốt; 3: Phễu tro lạnh; 4: Đáy thải xỉ; 5: Dàn ống sinh hơi; 6: Bộ quá nhiệt bức xạ; 7: Bộ quá nhiệt nửa bức xạ; 8: Ông hơi lên; 9: Bộ quá nhiệt đối lƣu; 10: Bộ hãm nƣớc; 11: Bộ sấy không khí; 12: Bộ khử bụi; 13: Quạt khói; 14: Quạt gió; 15: Bao hơi; 16: Ống nƣớc xuống; 17: Ống góp nƣớc Ống sinh hơi 3 đặt phía trong tƣờng lò nên môi chất trong ống nhận nhiệt và sinh hơi liên tục do đó trong ống sinh hơi 3 là hỗ hợp hơi và nƣớc, còn trong ống 4 đặt ngoài tƣờng lò nên môi chất trong ống 4 không nhận nhiệt do đó trong ống 4 là nƣớc. Khối lƣợng riêng của hỗn hợp hơi và nƣớc trong ống 3 nhỏ hơn khối lƣợng riêng của nƣớc trong ống 4 nên hỗ hợp trong ống 3 đi lên, còn nƣớc trong ống 4 đi xuống liên tục tạo nên quá trình tuần hoàn tự nhiên Buồng lửa là buồng lửa phun,nhiên liệu đƣợc phun vào và cháy lơ lửng trong buồng lửa . Qúa trình cháy đạt đến nhiệt độ rất cao từ 1300 0 C 19000 C dẫn đến hiệu quả trao đổi nhiệt bức xạ giữa ngọn lửa và giàn ống sinh hơi rất 8 cao. Để hấp thụ có hiệu quả nhiệt lƣợng bức xạ của ngọn lửa đồng thời bảo vệ tƣờng lò khỏi tác dụng của nhiệt đọ cao ngƣời ta bố trí dàn ống hơi 3 xung quanh tƣờng buồng lửa Khói ra khỏi buồng lửa, trƣớc khi vào bộ quá nhiệt đã đƣợc làm nguội một phần ở cụm pheston, ở đây khói chuyển động ngoài ống truyền nhiệt cho hỗn hợp hơi nƣớc chuyển động trong ống. Khói ra khỏi bộ quá nhiệt có nhiệt độ còn cao,để tận dụng phần nhiệt thừa của khói khi ra khỏi bộ quá nhiệt, ở phần đuôi lò ngƣời ta đặt thêm bộ hâm nƣớc và bộ sấy không khí Bộ hâm nƣớc có nhiệm vụ gia nhiệt cho nƣớc để nâng nhiệt độ của nƣớc nhiệt độ gia khỏi bình gia nhiệt lên đến nhiệt độ sôi và cấp vào bao hơi 5. Đây là giai đoạn đầu tiên của quá trình cấp nhiệt cho nƣớc để thực hiện quá trình hóa hơi đẳng áp nƣớc trong lò. Sự có mặt của bộ hâm nƣớc sẽ làm giảm tổng diện tích bề mặt đốt của lò hơi và sử dụng triệt để hơn nhiệt lƣợng tỏa ra khi cháy nhiên liệu, làm cho nhiệt độ khói thoát khỏi lò giảm xuống, làm tăng hiệu suất của lò. Không khí lạnh từ ngoài trời đƣợc quạt gió 14 hút và thổi qua bộ sấy không khí 11.Ở bộ sấy, không khí nhận nhiệt của khói, nhiệt độ đƣợc nâng từ nhiệt độ môi trƣờng đến nhiệt độ yêu cầu và đƣợc đƣa vào vòi phun 1 để cung cấp cho quá trình đốt cháy nhiên liệu. Nhƣ vậy bộ hâm nƣớc và bộ sấy không khí đã hoàn trả lại buồng lửa một phần nhiệt đáng nhẽ bị thải ra ngoài. Vậy từ khi vào bộ hâm nƣớc đến khi ra khỏi bộ quá nhiệt của lò hơi, môi chất trải qua các giai đoạn hấp thụ nhiệt trong các bộ phận. Nhận nhiệt trong bộ hâm nƣớc đến sôi, sôi trong dàn ống sinh hơi, quá nhiệt trong bộ quá nhiệt Nhiệt lƣợng môi chất hấp thu đƣợc biểu diễn bằng phƣơng trình:[Tr10, TL8] Q [i ''hn i 'hn ] + [is i ''hn rx ] [r (1 x ) (i ''qn i 'qn )] (1.1) mc Q i' (1.2) mci ''qn i 'qn is r hn Qmc là nhiệt lƣợng môi chất nhận đƣợc trong lò hơi. 9