CHƯƠNG II
TURBINE

Chương 2
II.1 Phân loại tua bin

Trong phần I về lý thuyết tua bin đã trình bày về hai loại tua bin
cơ bản là xung lực và phản lực. Các loại tua bin xung lực và tua bin
phản lực có thể được phân loại kỹ hơn thành nhiều loại. Để hiểu
thêm về tua bin, cần phải phân loại tua bin theo đặc tính của chúng.
Mỗi trong năm loại đặc tính sau được ứng dụng cho cả tua bin xung
lực và phản lực. Những đặc tính đó là :
- Ngưng tụ và không ngưng tụ (condensing vs. noncondensing)
- Trích hơi và không trích hơi (extraction vs. nonextractrion)
- Gia nhiệt và không gia nhiệt (reheat vs. nonreheat)
- Tuabin một vỏ (casing) và nhiều vỏ
- Các đường hơi thoát (Exhaust flows)
- Tải đỉnh và tải nền (peaking vs.baseload).
a)Tua bin có ngưng tụ và không ngưng tụ
Một đặc tính để phân loại tua bin là ngưng tụ hoặc không ngưng tụ.
Trong tua bin ngưng tụ thì hơi thoát vào bình ngưng (condenser).

Hình 2-1:Turbine có ngưng tụ

Bình ngưng cơ bản là một bình lớn, kín hơi bằng kim
loại có nhiều ống có mang nước lạnh đi qua. Khi hơi thoát
tiếp xúc với các ống (mang nước) lạnh, hơi sẽ bị ngưng
thành nước. Ưu điểm của sự bố trí này là nước ngưng có thể
trở về lò và được tái sử dụng. Do có quá trình ngưng hơi mà
áp suất và nhiệt độ của hơi thoát của tuabin có thể rất thấp,

vì vậy tuabin sử dụng tối đa nhiệt năng của hơi và làm cho
nhà máy điện hiệu quả hơn. Hầu hết các tuabin lớn đều thiết
kế kiểu này.
Trong tua bin không có bình ngưng thì hơi thoát không
bị ngưng tụ. Hơi có thể thoát vào khí quyển hoặc sử dụng
trong nhưng mục đích khác như để sưởi các toà nhà, chung
cư, vv. Trong tuabin không có bình ngưng thì áp suất hơi
thoát lớn hơn áp suất khí quyển, nó được gọi là áp suất
ngược. Những tua bin loại này thường thấy trong các nhà
máy điện nhỏ và cũ hơn.

b) Tua bin có trích hơi và
không trích hơi.
Cách thứ hai là tua bin
có thể phân loại do có trích
hơi và không trích hơi. Một
tuabin có trích hơi là loại
tuabin được thiết kế nhiều
tầng cánh, khi đó hơi được
thoát ra hoặc trích ra tại
giữa các tầng cánh tại điểm
trích hơi. Hơi trích ra này
có thể dùng để gia nhiệt
nước cấp hoặc để sưởi các
toà nhà.
Hình 2-2: Tuabin có hoàn
nhiệt

Các loại tua bin có trích hơn có thể được phân loại là
tua bin trích hơi tự động và không tự động. áp suất hơi của

bất kỳ tầng cánh nào của tua bin nhiều tầng cánh được xác
định bởi lưu lượng hoặc tải. Trong tua bin có trích hơi đơn
giản, không thể điều khiển được áp suất hoặc lượng hơi
trích vì do áp suất và lượng hơi trích chỉ thay đổi theo tải
của tua bin. Trong tua bin trích hơi tự động, các van được
dùng tại các điểm trích hơi để điều khiển áp suất và lưu
lượng hơi.
Loại tua bin không trích hơi thì hơi không thoát ra ở
giữa các tầng cánh mà tất cả hơi đều thoát ra tại ống thoát.
Hầu hết tất cả các tua bin lớn đều là loại trích hơi đơn giản,
vì hầu hết toàn bộ nhiệt trong hơi trích đều tái sử dụng, hoặc
hoàn nhiệt, hoặc để gia nhiệt nước cấp, những tua bin này
thường được xem như loại tua bin có hoàn nhiệt
(regenerative tua bin)

c) Tua bin có gia nhiệt và không gia nhiệt.
Cách thứ ba để phân loại tua bin là gia nhiệt (reheat) và
không gia nhiệt (nonreheat). Tua bin có gia nhiệt là tua bin
nhiều tầng cánh trong đó hơi trực tiếp từ một số tầng cánh
giữa trở ngược về lò. Tại lò, hơi được gia nhiệt, sau đó theo
đường ống trở về tua bin. Một số tua bin lớn, hơi trở về lò
được gia nhiệt lần thứ hai, loại này gọi là tua bin hai lần gia
nhiệt. Có hai ưu điểm trong việc gia nhiệt hơi là :
- làm cho nhà máy điện thêm hiệu quả nhiệt động lực và
- làm chậm việc bắt đầu ngưng tụ hơi trong turbine.

Hình 2-3: Tua bin có gia nhiệt (Reheated tua bin)

Đối với một tua bin có gia nhiệt có các phần cao
áp và trung áp cùng nằm trong một vỏ tua bin

(casing), điều quan trọng là sai biệt không lớn giữa
nhiệt độ hơi chính và hơi tái gia nhiệt. Sự sai biệt
nhiệt độ cho phép tối đa giữa nhiệt độ hơi chính và
hơi tái gia nhiệt đã được quy định, nếu vượt quá quy
định đó thì sẽ xảy ra sốc nhiệt dữ dội lên vỏ tua bin
và rotor. Hầu hết các tua bin lớn đều ứng dụng tái
gia nhiệt. Hầu hết chỉ có một tầng cánh ứng dụng gia
nhiệt, tuy nhiên cũng có một số tua bin lớn có hai
tầng tái gia nhiệt.


Hình 2-4: Tua bin có hoàn nhiệt và gia nhiệt.
(Regeneration and Reheat Tua bin)

d) Tua bin một casing và tuabin nhiều casing.
Cách khác để phân loại tua bin là tua bin một casing
và nhiều casing. Tua bin một casing là tua bin có tất cả
các tầng cánh đều nằm trong một casing (xem hình 2-
5a). Do tua bin ngày càng được thiết kế lớn hơn nên tất
cả các tầng cánh đều nằm trong một casing là không thực
tiễn. Vì vậy phải chia làm hai hoặc nhiều casing. Gọi là
tua bin nhiều casing. Có hai loại tua bin nhiều casing đó
là tandem-compound và cross-compound.

(Hình 2-5b) Tandem-
compound tua bin : các phần tua bin
đồng trục và có hai phần khác nhau.
Loại tua bin lớn và hiện đại có thể
có tới 5 phần riêng biệt.
(Hình 2-5c) Cross-compound

tuabin : các phần khác nhau của tua
bin không đồng trục. Đối với nhà
máy điện thì phải có hai máy phát
riêng khác nhau.
Điều này có ưu điểm đối với
loại tua bin máy phát có công suất
rất lớn vì việc chế tạo, và vận
chuyển hai cục máy phát dễ hơn
làm một cục rất lớn. Một số tua bin
loại cross-compound có từ hai phần
trở lên trên một trục.
Hình 2-5: Tua bin một casing
và tua bin nhiều casing

Thường thì hai bộ phận của tua bin (cao áp và trung áp) cùng một rotor
thì có dòng hơi đi theo chiều ngược nhau. Thí dụ hơi vào giữa hai phần
của tua bin, trước hết sẽ vào phần cao áp sau đó đi ngược trở lại khu
vực giữa cao áp và trung áp sau đó đi ngược chiều và qua phần trung
áp (xem hình 2-6).
Hình 2-6 : Hơi ngược chiều giữa
cao áp và trung áp.
Hầu hết các
tua bin lớn đều có
nhiều tầng cánh. Tuy
nhiên đối với loại
tua bin tandem
compound thì ứng
dụng đối với loại tua
bin cực lớn và hiện
đại.


e) Dòng hơi thoát:
Các loại tua bin có bình ngưng có thể phân loại thêm
qua dòng hơi thoát. Loại tua bin ngưng hơi đơn thì tất cả
hơi thoát sẽ đi vào bình ngưng.
Hình 2-7a : Rotor có hai dòng
hơi ngược nhau (Double flow
rotor)
Hình 2-7b: Tandem
-compound double flow
rotor

Tuy nhiên, phần hạ áp của một tua bin compound
lớn sẽ trở nên quá lớn nên phải chia ra thành hai phần trở
lên do giới hạn của việc thiết kế. Khi cần phải có hai
phần hạ áp thì hai phần đó cùng một trục, lúc đó dòng
hơi của hai phần sẽ đối nhau (Hình 2-7a). Bố trí như vậy
gọi là phần hai dòng hơi. Tua bin (Hình 2-7b) là một thí
dụ loại tua bin tendem-compound, hai dòng hơi. Tua bin
nhiều dòng hơi (đến 6 dòng) thì không phổ biến.

f) Tua bin tải đỉnh.
Năm đặc tính mô tả trên không phải là các đặc tính duy nhất để
phân loại tua bin. Có rất nhiều sự khác nhau khác không thể mô tả
hết trong tài liệu này được. Một trong những sự thay đổi khác nhau
đó khá phổ biến trong thập niên trước và đáng lưu ý là tua bin tải
đỉnh.
Lượng điện sử dụng cần để phát ra thay đổi tuỳ theo thời gian
trong ngày và tùy theo mùa. Mùa Hè thì người ta dùng điện nhiều do
chạy máy điều hoà và tải dùng lớn nhất là vào giữa trưa do lúc đó

nóng nhất. Việc dùng nhiều điện khác, đặc biệt là các vùng xứ lạnh
về mùa Đông chạy các máy sưởi. Dù trường hợp nào thì còng phải
có một số tổ máy để dự phòng vì tải khi cao khi thấp.
Thậm chí có một số tổ máy ngừng vào buổi tối. Những tổ máy
chuyên để dự phòng đó thường sớm hư hỏng do việc lên xuống máy
và thay đổi áp suất và nhiệt độ thất thường. Một số nơi dùng những
tua bin cũ, nhỏ và kém hiệu qủa hơn để dùng cho dự phòng. Một số
nơi thiết kế những tua bin đặc biệt để chuyên dùng cho dự phòng
thích hợp hơn. Thông thường các tua bin được thiết kế chuyên dùng
cho dự phòng có áp suất và nhiệt độ thấp hơn bình thường, khoảng
1800 psia và 510°C.

f) Loại tua bin tandem-compound, hai dòng hơi, reheat và ngưng tụ
(Tandem-compound, two-flow, reheat, condensing tuabine)
(Hình 2-8) chỉ rõ mặt cắt của loại tua bin trên. Loại tua
bin này là điển hình hiện nay đang được thiết kế và lắp đặt
trong các nhà máy điện lớn. (Hình 2-9) là sơ đồ đơn giản
của tua bin. Lưu ý rằng hai phần cao áp và trung áp có dòng
hơi ngược nhau. Hơi từ lò đi vào phần cao áp sau khi qua
hai bộ van là van chặn (stop valves) và van điều khiển
(control valves ). Bộ đầu tiên là các van chặn, bình thường
là mở hết (fully opened) khi tua bin reset và đang vận hành.
Các van chặn (stop valves) đóng khi tua bin dừng
(shutdown).

Bộ thứ hai là van điều khiển (control valves), các
van này điều chỉnh lưu lượng hơi vào tua bin để điều
chỉnh tốc độ hoặc tải. Trên sơ đồ, (hình 2-9) có một
van chặn và bốn van điều khiển.
Điều quan trọng là phải ngắt đường hơi vào tua

bin khi xuống máy, đặc biệt là trường hợp khẩn cấp.
Nếu không ngắt đường hơi vào tua bin trong trường
hợp ngừng khẩn cấp có thể gây nên sự cố là tốc độ
tua bin tăng đột ngột (trong một vài giây) đến mức
mà có thể vở tua bin. Hai bộ valves trên bảo đảm rằng
trong quá trình tua bin ngừng khẩn cấp, nếu một trong
các valves bị sự cố thì còng không gây nên quá tốc độ
gây ảnh hưởng tua bin.

Hình 2-8a: Tandem-compound,
two-flow, reheat, condensing
tuabine

Hình 2-8b

Sau khi hơi đi qua các stop và control valves, hơi sẽ
qua các tầng cao áp (thường thì khoảng 6 tầng), sau đó
rời tua bin và trở lại lò thông qua đường ống nguội có gia
nhiệt.
Đối với một tổ máy đầy tải, điều kiện hơi chính áp
suất là 2400 psia và nhiệt độ là 538°C, điều kiện hơi gia
nhiệt lạnh điển hình áp suất 570 psia và nhiệt độ là
343°C. Hơi gia nhiệt lạnh trở về lò và được gia nhiệt đến
với nhiệt độ bằng nhiệt độ hơi chính, thường khoảng
538°C. Hơi đã được gia nhiệt này thường được gọi là hơi
gia nhiệt nóng . Hơi gia nhiệt nóng này đi qua hai bộ van
liền nhau trước khi vào phần trung áp của tua bin. Mục
đích duy nhất của các van này là bảo vệ tua bin khỏi bị
vượt tốc trong trường hợp khẩn cấp. Trong vận hành bình
thường thì các van này mở hết cỡ (fully opened).


Hình 2-9: Sơ đồ đơn giản của tua bin loại TC-F2, gia nhiệt và ngưng hơi

Những van này chỉ đóng khi trường hợp vượt tốc khẩn
cấp hoặc khi tua bin shutdown. Điều này cần thiết bởi vì
mặc dầu đã có các van chặn (stop valves) và van điều khiển
(control valves) chúng đóng ngay khi trường hợp vượt tốc
xảy ra, vì vẫn còn một lượng hơi đáng kể trong phần cao áp
của tua bin, trong phần đường ống hơi gia nhiệt nóng và
lạnh, và bản thân của bộ gia nhiệt (reheater) có thể làm cho
tua bin vượt tốc. Một lần nữa, hai bộ van bố trí nối tiếp nhau
sẽ bảo đảm rằng một trong các van bị hỏng sẽ không gây
nên sự cố vượt tốc.
Sau khi vào tua bin trung áp, hơi sẽ giãn nở ra và đi qua
khoảng 5 đến 7 tầng cánh. Từ phần trung áp hơi sẽ đi qua
ống nối (crossover) giữa trung và hạ áp để đến phần hạ áp.
Điều kiện hơi thoát ở tầng trung áp này thường khoảng 1500
psia và 371°C khi tua bin ở đầy tải và điều kiện hơi chính là
2400psia và 538°C.