Tua bin hơi nước đầu tiên xuất hiện đầu thế kỉ XIX. Những người đầu tiên chế tạo ra tuabin hơi nước là Gustav de Laval (người Thuỵ Điển) và Charles Parsons (Anh).
Câu hỏi đặt ra: Tua bin hơi nước là gì? Chúng hoạt động như thế nào? Ứng dụng của tuabin hơi nước là gì? Chúng ta cùng tìm hiểu nhé!
Tua bin hơi nước là gì?
Tua bin hơi nước là một thiết bị chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng. Khi tuabin tạo ra chuyển động quay, nó thích hợp nhất cho hoạt động của máy phát điện. Bản thân cái tên cho thấy thiết bị được điều khiển bởi hơi nước và khi dòng hơi chảy qua các cánh quạt tua bin, sau đó hơi nước nguội đi và sau đó nở ra, do đó quá trình cung cấp hơi nước gần như là liên tục để tạo ra năng lượng.
Do các cánh quạt biến đổi năng lượng hơi thành chuyển động. Theo cách này, tua bin hơi được vận hành để cung cấp điện. Các thiết bị này sử dụng áp suất hơi tăng cường để quay máy phát điện ở tốc độ cực cao. Và tốc độ quay của chúng là tốt hơn nhiều so với tua bin nước và tua bin gió.
Ví dụ: Tua bin hơi thông thường có tốc độ quay 1800-3600 vòng/phút, vòng quay gần gấp 200 lần so với tua bin gió.
Tua bin hơi nước tiếng Anh là gì
Trong tiếng Anh, tua bin hơi nước được dịch là Steam Turbine. Các bạn có thể dùng từ này để tìm kiếm các tài liệu về máy tua bin hơi nước nhé!
Cấu tạo tua bin hơi nước
Dòng hơi nước chảy qua van nạp, tác động lên cánh quay, đẩy rôto quay. Để tiện lắp đặt và đại tu, thiết bị này có một cấu trúc hai trụ bản lề lỗ hút thẳng đứng. Tua bin hơi nước gồm có những bộ phận sau:
- Bộ ống nạp: Bộ ống nạp gồm có ống, van nạp, mối hàn lắp, ống dạng nón, và ống khuỷu, … Đó là phần đầu tiên của tua bin. Van nạp ngắt dòng chảy khi tua bin xảy ra các sự cố khẩn cấp hoặc ngừng đại tu. Ống nạp có bộ phận hàn, với áp suất chịu đựng và hiệu suất thuỷ lực thuận lợi.
- Bộ phận chính: Cánh dẫn hướng, làm bằng thép không rỉ, là một kết cấu có hai trụ đỡ. Nắp cột áp và vòng đai, đáy có vỏ bằng thép. Bộ phân phối có cấu trúc lá trượt đơn giản, để tiện lắp đặt và đại tu. Có các chốt trượt bảo vệ giữa thanh chắn dòng và thanh chắn dòng tự động.
- Bộ phận quay: Rôto được lắp đặt trên phần mở rộng của trục, và côn rôto. Vỏ rôto làm bằng thép không gỉ, chống xâm thực tốt và có đặc tính mài mòn.
- Bộ ống hút: Bộ ống hút gồm có một thiết bị nạp khí, một ống khuỷu, và một ống hình nón. Thiết bị nạp khí được lắp giữa vòng đai đáy và ống khuỷu. Để giảm độ rung thuỷ lực và ảnh hưởng đến khí xâm thực, cần phải có thiết bị nạp khí và khí bổ sung tự nhiên ở ngoài vùng định danh của thiết bị.
Nguyên lý làm việc của tuabin hơi nước
Nguyên lý hoạt động của thiết bị này dựa trên chuyển động của hơi nước. Áp suất hơi ra từ các vòi phun chạm vào các cánh quay đang được đặt trên trục. Do vận tốc trong hơi nước tăng lên, nó gia tăng áp lực mạnh mẽ lên các cánh của thiết bị, cánh chuyển động làm cho trục rôto quay theo. Nói chung, tua bin hơi cô lập năng lượng của trục quay và sau đó biến nó thành động năng.
Sự biến đổi của động năng thực hiện tác động cơ học đến các cánh quạt và rôto này có kết nối với máy phát tua bin hơi nước. Do cấu trúc của thiết bị rất hợp lý, nó tạo ra tiếng ồn tối thiểu khi so sánh với các loại thiết bị quay khác.
Trong hầu hết các tuabin, tốc độ cánh quay đều tuyến tính với tốc độ hơi nước chảy qua. Khi hơi được gia tăng thì lực tác động cánh quay tăng, do đó vận tốc quay cũng tăng theo. Ví dụ, tuabin chính được sử dụng trong các nhà máy hạt nhân có tốc độ giãn nở hơi nước là gần 6 MPa đến 0,0008 MPa có tốc độ ở 3000 vòng quay trên tần số 50 Hz và 1800 vòng quay ở tần số 60 Hz.
Vì vậy, nhiều nhà máy hạt nhân hoạt động như một máy phát điện tuabin một trục có một tuabin đa tầng và ba tuabin LP song song, một bộ kích cùng với máy phát chính.
Các loại tuabin hơi nước
Tuỳ thuộc vào tính chất của quá trình nhiệt, chúng ta có thể phân biệt các loại tua bin hơi nước như sau:
Theo tầng số công tác
– Tuabin một tầng (Single- stage turbines): Có công suất nhỏ .Thường dùng cho các loại máy như: máy nén ly tâm, bơm, quạt…
– Tuabin nhiều tầng (Multistage turbines): Có nhiều tầng công tác (xung lực hay phản lực) nối tiếp nhau. Loại này có công suất lớn.
Theo hướng chuyển động của dòng hơi
– Tuabin dọc trục (Axial turbines): Đặc điểm của loại này là dòng hơi di chuyển gần như song song với trục.
– Tuabin hướng kính (Radial turbines): Đặc điểm của loại này là dòng có hướng vuông góc với trục, có thể là ly tâm hay hướng tâm.
Theo nguyên lý tác dụng của dòng hơi
– Tuabin xung lực (Impulse turbines): Hơi nước chỉ giãn nở để tăng tốc trong ống phun hay trong rãnh cánh tĩnh, nhiệt năng của hơi chuyển thành động năng của dòng, trong dãy cánh tĩnh chỉ xảy ra sự biến đổi động năng thành cơ năng. Ngày nay người ta chế tạo tầng xung lực có độ phản lực nhất định để tăng hiệu suất của nó.
– Tuabin phản lực (Reaction turbines): Đặc điểm của loại này là sự giãn nở của hơi nước xảy ra trong rãnh cánh tĩnh và rãnh cánh động với mức gần như nhau.
Theo đặc điểm của quá trình nhiệt
– Tuabin ngưng hơi: Dùng để kéo máy phát điện và sản xuất điện năng. Hiệu suất nhiệt tương đối thấp.
– Tuabin đối áp: Trong loại tua bin này hơi giãn nở tới dưới áp suất khí quyển, còn nhiệt của nước làm mát bình ngưng thì được dùng cho các nhu cầu sinh hoạt, cho ngành nông nghiệp,… Trong loại tuabin này, áp suất hơi sau tầng cuối cũng thường lớn hơn áp suất khí quyển.
– Tuabin ngưng hơi có trích hơi điều chỉnh: Loại tuabin này ngoài việc trích hơi gia nhiệt hồi nhiệt (không điều chỉnh) còn bố trí một hoặc hai cửa trích hơi có điều chỉnh áp suất theo nhu cầu để dùng cho mục đích công nghệ và sưởi ấm. Tuabin hơi có trích hơi điều chỉnh rất phù hợp với việc phối hợp sản suất điện năng và nhiệt năng.
– Tuabin ngưng hơi có cửa trích điều chỉnh trung gian: Trong tuabin này hơi trích từ tầng trung gian được dẫn về hộp tiêu thụ nhiệt, lượng hơi còn lại tiếp tục làm việc trong các tầng khác và đi vào bình ngưng. Áp suất hơi trích được tự động duy trì ở mức không đổi.
– Tuabin có cửa trích hơi điều chỉnh và đối áp: Để phục vụ các hộ tiêu thụ nhiệt có nhu cầu với áp suất khác nhau, có thể dùng tuabin có cửa trích hơi điều chỉnh và đối áp, trong đó một phần hơi với áp suất không đổi được trích từ tầng trung gian. Phần hơi còn lại, sau khi đi qua các tầng tiếp theo sẽ dẫn về hộ tiêu thụ nhiệt với áp suất thấp hơn.
Hiệu suất thực tế của tua bin hơi nước phụ thuộc gì
Hiệu suất nhiệt thực tế của tuabin hơi nước thay đổi theo kích thước tuabin, điều kiện tải, tổn thất khe hở và tổn thất ma sát.
Chúng đạt giá trị lên tới khoảng 50% trong tuabin 1.200 MW (1.600.000 hp); những cái nhỏ hơn có hiệu suất thấp hơn. Để tối đa hóa hiệu suất tuabin, hơi nước được mở rộng, thực hiện công việc, trong một số giai đoạn. Các giai đoạn này được đặc trưng bởi cách năng lượng được chiết xuất từ chúng và được gọi là tua-bin xung hoặc phản ứng. Hầu hết các tuabin hơi sử dụng hỗn hợp các thiết kế phản ứng và xung lực. Mỗi giai đoạn hoạt động riêng lẻ, nhưng tổng thể tuabin sử dụng cả hai. Thông thường, phần áp suất thấp hơn là loại phản ứng và giai đoạn áp suất cao hơn là loại xung.
Ưu nhược điểm của tua bin hơi nước
Việc biết được ưu nhược điểm của thiết bị giúp chúng ta tính toán được loại thiết bị phù hợp cho nhu cầu sử dụng. Với tua bin hơi nước cũng vậy. Chúng ta cùng tìm hiểu ưu nhược điểm của thiết bị này nhé!
Ưu điểm của tuabin hơi nước
Tua bin hơi nước với lịch sử lâu đời, có những ưu điểm như:
- Việc bố trí tua bin hơi cần rất ít không gian
- Hoạt động hợp lý và hệ thống đáng tin cậy
- Yêu cầu ít chi phí hoạt động
- Nâng cao hiệu quả trong đường dẫn hơi, tận dụng triệt để hơi sinh ra
Nhược điểm của tuabin hơi nước
Bên cạnh đó, tua bin hơi nước cũng tồn tại một số nhược điểm như:
- Vì vận tốc tăng, sẽ có tổn thất ma sát tăng cường
- Khó tối ưu giữa tỉ lệ cánh quay với tố độ hơi nước
- Nước lỏng vào cánh quạt có thể làm hỏng các bộ phận bên trong tua bin
Các ứng dụng của tua bin hơi nước
Tua bin hơi nước là một phần của các ngành công nghiệp khác nhau. Từ quy mô trung bình đến lớn, và bao gồm hàng chục ứng dụng khác nhau.
- Ứng dụng trong công nghiệp hóa chất: Cung cấp nhiệt và điện để thúc đẩy các quá trình khác nhau trong các ngành công nghiệp hóa chất và dược phẩm, tua bin hơi nước được tích hợp trong quá trình sản xuất điện.
- Nhà máy xử lý chất thải: Tua bin hơi giúp tạo ra năng lượng cần thiết để khai thác năng lượng từ chất thải.
- Trong dầu khí: Được sử dụng làm máy bơm hoặc máy nén, tua bin hơi nước hỗ trợ hàng chục hoạt động trong ngành dầu khí.
- Trong nhà máy đường: Tua bin hơi nước được sử dụng để sản xuất năng lượng carbon dioxide xanh từ bã mía.
- Nhà máy điện chu trình hỗn hợp: Tua bin hơi nước cho phép các nhà máy điện tạo ra năng lượng điện. Bằng cách sử dụng tuabin khí và sử dụng khí và nhiệt được tạo ra trong quá trình để tạo ra hơi nước, từ đó tạo ra năng lượng bổ sung. Các nhà máy điện chu trình hỗn hợp được hỗ trợ bởi các tuabin hơi nước có khả năng tạo ra, hoặc đạt được hiệu suất phát điện vượt ra ngoài mốc 50% và được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp lớn.
Qua những thông tin mà mình đã chia sẻ. Hy vọng các bạn đã có thêm những kiến thức về một thiết bị cơ bản của nguồn phát điện, sản xuất điện. Đó là tua bin hơi nước.
Các bạn giúp mình chia sẻ bài viết nhé! Cảm ơn!
