Việc cấp hơi một phần ảnh hưởng như thế nào đến tuabin hơi xung lực?

Điều tiết một phần ảnh hưởng đến tuabin hơi xung lực bằng cách chỉ cấp hơi qua một phần chu vi dàn vòi phun. Phương pháp này có thể giảm tổn thất tiết lưu ở tải một phần so với việc điều tiết mọi vòi phun qua một van tiết lưu chung, nhưng cũng gây ra tổn thất do lực cản gió, tổn thất ở mép phân đoạn và tải lặp lại lên cánh. Vì vậy, lợi ích về hiệu suất phụ thuộc vào việc mức giảm tổn thất tiết lưu có lớn hơn tổn thất khí động bổ sung hay không, đồng thời ứng suất cánh phải nằm trong giới hạn thiết kế.

Sự đánh đổi này đáng lưu ý khi tuabin thường xuyên vận hành trong thời gian đáng kể dưới công suất định mức. Thay đổi cách vận hành nhóm vòi phun có thể cải thiện mức tiêu thụ hơi ở một mức tải nhưng lại làm giảm hiệu suất hoặc tăng rung động ở mức tải khác. Đánh giá hữu ích không chỉ đơn giản là xác định có thể điều tiết một phần hay không, mà còn phải xem xét đặc tính của từng kiểu điều tiết trên toàn dải vận hành dự kiến.

Tỷ lệ điều tiết không đồng nghĩa với tải của tuabin

Tỷ lệ điều tiết là tỷ lệ phần chu vi vòi phun chủ động cấp hơi cho một tầng cụ thể. Với các vòi phun được bố trí quanh chu vi, tỷ lệ này có thể được biểu diễn làε = cung điều tiết chủ động / tổng chu vi. Điều tiết theo nhóm vòi phun làm thay đổi diện tích điều tiết hữu hiệu bằng cách mở hoặc đóng các van cấp cho từng nhóm riêng biệt.

Trong tầng xung lực, phần lớn độ giảm áp suất của tầng diễn ra trong các vòi phun tĩnh. Các cánh động trích công bằng cách đổi hướng và giảm tốc các tia hơi tạo thành. Khi điều tiết một phần, mỗi cánh lần lượt đi qua một vùng có hơi chủ động rồi đến một vùng không có hơi, thay vì chịu dòng chảy gần như liên tục quanh chu vi.

Chỉ riêng tỷ lệ điều tiết không quyết định lưu lượng khối lượng hoặc công suất đầu ra. Tiết diện họng vòi phun, điều kiện hơi phía trước, áp suất phía sau, độ mở van và điều kiện nghẹt dòng cũng đóng vai trò quan trọng. Hai cách bố trí có cùng cung điều tiết chủ động vẫn có thể có khả năng lưu lượng và tổn thất khác nhau.

Điều tiết một phần thường tập trung ở tầng điều tốc thay vì được áp dụng đồng nhất trên toàn bộ tuabin. Dòng chảy vào các tầng phía sau được phân bố lại theo chu vi, dù sự không đồng đều có thể vẫn còn. Vì vậy, không nên xem thay đổi hiệu suất ở tầng điều tốc là mức thay đổi tương đương của hiệu suất toàn tuabin.

Nguồn gốc lợi thế hiệu suất ở tải một phần

Khi tiết lưu bằng van chung, việc giảm tải làm giảm áp suất cấp cho tất cả các vòi phun. Quá trình tiết lưu gần như đẳng entanpi, nhưng làm tăng entropy và giảm khả năng sinh công của tuabin. Thay vào đó, điều tiết theo nhóm vòi phun có thể đóng một số nhóm nhất định trong khi duy trì điều kiện đầu vào của các nhóm đang mở gần với giá trị thiết kế hơn.

Sự khác biệt này giải thích vì sao điều tiết một phần có thể phù hợp với chế độ vận hành tải biến thiên. Điều đó không có nghĩa là các nhóm đang mở luôn hoạt động mà không bị tiết lưu. Trong quá trình mở van tuần tự, một nhóm có thể chỉ mở một phần trong khi các nhóm khác mở hoàn toàn hoặc đóng. Khi đó, tổn thất áp suất qua van, tỷ số áp suất của tầng điều tốc và điều kiện phía sau cùng thay đổi.

Để so sánh có ý nghĩa, hãy sử dụng các điều kiện hơi đầu vào, áp suất xả, tốc độ và cơ sở công suất đầu ra tương ứng. Đánh giá toàn bộ tuabin, bao gồm các tổn thất cơ học liên quan và mức tiêu thụ của thiết bị phụ trợ. Tính toán tầng tại điểm thiết kế không thể xác định chiến lược điều tốc nào tiêu thụ ít hơi hơn trong một chu kỳ tải thực tế.

Các tổn thất triệt tiêu mức giảm tổn thất tiết lưu

• Tổn thất do lực cản gió ở vùng không có hơi: Các cánh đi qua vùng không được cấp hơi khuấy động và gia tốc chất lưu xung quanh mà không nhận được công hữu ích từ tia hơi. Tổn thất phụ thuộc vào tốc độ, mật độ chất lưu, hình dạng cánh và cung không có hơi.
• Tổn thất nạp đầy và xả rỗng: Các kênh cánh đi vào và rời khỏi vùng có hơi phải trải qua quá trình hình thành và suy giảm dòng chảy quá độ. Các ảnh hưởng này trở nên đáng kể hơn khi số ranh giới phân đoạn lớn so với cung được cấp hơi.
• Hòa trộn ở mép phân đoạn: Các tia hơi gần ranh giới điều tiết tương tác với chất lưu có động lượng thấp hơn, gây ra sự không đồng đều về vận tốc, góc tới và tổn thất tiêu tán.

Khi tỷ lệ điều tiết giảm xuống rất thấp, tổn thất ký sinh có thể chiếm phần lớn hơn trong công suất hữu ích của tầng. Không có tỷ lệ điều tiết chung nào mà thấp hơn mức đó thì hiệu suất trở nên không chấp nhận được. Giới hạn phù hợp phụ thuộc vào hình học của tầng, điều kiện vận hành và yêu cầu tải tối thiểu.

Cách bố trí vòi phun làm thay đổi cả tổn thất lẫn kích thích

Tỷ lệ điều tiết bằng nhau không đảm bảo hiệu suất như nhau. Một vùng điều tiết liên tục và nhiều vùng điều tiết tách rời tạo ra số lượng ranh giới vào và ra khác nhau. Chia dòng điều tiết thành nhiều vùng có thể làm tăng tổn thất liên quan đến ranh giới, đồng thời thay đổi phân bố lực theo chu vi và thành phần tần số kích thích cánh.

Một số ít vùng lớn có thể làm giảm số ranh giới, nhưng có thể gây ra sự không đồng đều dòng chảy bậc thấp mạnh hơn theo chu vi. Các vùng phân bố đều có thể cải thiện cân bằng theo chu vi, nhưng khiến mỗi cánh chịu nhiều lần chuyển tiếp tải hơn trong mỗi vòng quay. Không cách bố trí nào đương nhiên tốt hơn; đánh giá khí động và kết cấu phải dựa trên trình tự mở van thực tế.

Vận tốc vòi phun cũng thay đổi theo tỷ số áp suất. Do đó, mối quan hệ giữa tốc độ cánh và tốc độ tia hơi cũng như góc tới dòng vào có thể lệch khỏi giá trị thiết kế khi các van vận hành. Duy trì áp suất trong nhóm vòi phun đang mở không đảm bảo các tam giác vận tốc tối ưu trên toàn dải điều tốc.

Tải tuần hoàn lên cánh là vấn đề mỏi, không chỉ là vấn đề rung động

Mỗi cánh động chịu lực khí động tăng lên khi đi vào vùng được cấp hơi và giảm xuống khi rời vùng đó. Kích thích tạo ra chứa các hài liên quan đến tốc độ quay và kiểu điều tiết. Độ rộng, khoảng cách giữa các vùng và trạng thái van ảnh hưởng đến phổ này.

Khi một thành phần kích thích tiến gần tần số riêng của cánh hoặc nhóm cánh, ứng suất động có thể tăng. Đánh giá cần xem xét dạng dao động, độ tắt dần, đặc tính của dải liên kết hoặc dây chằng nếu có, và điều kiện vận hành nóng. Biểu đồ Campbell hữu ích, nhưng chỉ xác định được điểm giao tần số thì chưa đủ để kết luận về biên độ ứng suất hoặc mức độ chấp nhận được của hiện tượng mỏi.

Rung động ổ trục thấp không chứng minh rằng ứng suất động của cánh cũng thấp. Các dạng dao động cục bộ của cánh có thể không tạo ra đáp ứng mạnh tại các cảm biến trên vỏ hoặc ổ trục. Ngược lại, rung động tổng thể tăng cao có thể do mất cân bằng, sai lệch căn chỉnh, ổ trục hoặc nguyên nhân khác chứ không phải do điều tiết một phần.

Đối với chế độ vận hành tải biến thiên kéo dài, hãy yêu cầu xác nhận rằng đánh giá kích thích cánh đã bao quát các tổ hợp điều tiết được phép và những quá trình chuyển trạng thái liên quan. Vận hành lặp lại gần một điều kiện bất lợi có thể đáng quan tâm hơn việc chỉ đi qua điều kiện đó trong thời gian ngắn.

Điều tra hiện tượng giảm hiệu suất hoặc thay đổi rung động

Khi một hiện tượng xuất hiện gần thời điểm chuyển đổi nhóm vòi phun, trước tiên hãy xác định xem hiện tượng đó có phụ thuộc vào trạng thái van hay một biến vận hành khác không. So sánh các điểm vận hành ổn định với điều kiện hơi và áp suất xả tương ứng, thay vì chỉ dựa vào công suất đầu ra.

1. Ghi lại trạng thái điều tiết. Ghi nhận vị trí từng van, áp suất tại hộp van hoặc nhóm vòi phun nếu có, tốc độ, lưu lượng hơi và công suất. Kiểm tra xem chuyển động thực tế của van có khớp với trình tự điều khiển hay không.
2. Phân biệt trạng thái quá độ và ổn định. Nhiễu loạn ngắn trong lúc van chuyển động khác với tổn thất hoặc kích thích kéo dài sau khi điều kiện đã ổn định.
3. Xem xét phổ rung động. So sánh các thành phần tần số trước và sau khi chuyển trạng thái. Liên hệ các thay đổi với bậc quay trục, kiểu điều tiết và các dạng dao động đã xác định, thay vì chỉ xem xét biên độ tổng thể.
4. Kiểm tra các nguyên nhân khác. Rò rỉ van, van bị kẹt, thay đổi điều kiện hơi, biến động áp suất xả và sai số đo lường có thể giống như sự cố liên quan đến điều tiết.

Không thay đổi độ chồng lấn hoặc trình tự mở van chỉ nhằm loại bỏ hiện tượng giảm hiệu suất. Những thay đổi này có thể làm biến đổi kích thích, độ ổn định điều tốc và đáp ứng tải. Việc điều chỉnh phải nằm trong bản đồ vận hành và quy trình điều khiển được nhà sản xuất phê duyệt.

Những thông tin cần yêu cầu trước khi chấp nhận thiết kế tải biến thiên

Hồ sơ kỹ thuật hữu ích cần bao gồm hiệu suất được đảm bảo ở các mức tải đại diện, tổ hợp van tương ứng, tải liên tục tối thiểu và mọi vùng vận hành bị hạn chế. Hồ sơ cần phân biệt tính toán cho tầng điều tốc với hiệu suất của toàn bộ máy, đồng thời nêu rõ các giả định được sử dụng cho tổn thất do điều tiết một phần.

So sánh hiệu suất cũng cần thống nhất về ranh giới đo lường và phương pháp hiệu chỉnh. Suất tiêu hao hơi, công suất trục và công suất điện không thể thay thế cho nhau. Cần xác định các điều kiện đầu vào, áp suất xả, lưu lượng hơi trích nếu có và cách xử lý độ không đảm bảo trước khi đánh giá các đề xuất cạnh tranh.

Ở cấp nhà máy, đánh giá cũng có thể bao gồm một loại động lực sơ cấp khác. Dòng sản phẩmTuabin khí được cung cấp có các model với công suất công bố từ 2 đến 114.5 MW và các tùy chọn nhiên liệu tùy theo model. Đây là so sánh giữa các cấu hình riêng biệt, không phải giải pháp khắc phục tổn thất do điều tiết ở tầng tuabin hơi: cần đánh giá độc lập khả năng cung cấp hơi, nguồn nhiên liệu, nhu cầu nhiệt và hiệu suất ở tải một phần.

Đối với bản thân tuabin hơi, bằng chứng quyết định là bản đồ vận hành có cơ sở, liên kết công suất đầu ra, trạng thái van, mức tiêu thụ hơi và phạm vi vận hành cho phép. Hiệu suất định mức thuận lợi là chưa đủ khi chế độ dự kiến khiến máy phải hoạt động trong thời gian đáng kể ở tải điều tiết một phần hoặc gần các thời điểm chuyển đổi nhóm vòi phun.