Vận hành ở tải một phần làm thay đổi hiệu suất của máy phát tua-bin khí cỡ nhỏ như thế nào

Một máy phát điện tua-bin khí cỡ nhỏ hiếm khi duy trì công suất định mức trong suốt một ca vận hành. Nhu cầu tại cơ sở có thể giảm sau khi một dây chuyền công nghệ dừng hoạt động, trong quá trình vận hành ban đêm hoặc khi một nguồn điện khác đảm nhận một phần tải. Máy phát vẫn phải duy trì tần số và điện áp, nhưng tua-bin đốt nhiên liệu trong các điều kiện kém thuận lợi hơn so với điểm thiết kế.

Về thực tế, vận hành ở tải một phần thường làm tăng mức tiêu hao nhiên liệu riêng và suất nhiệt: tổ máy tạo ra ít kilowatt hơn cho mỗi đơn vị nhiên liệu tiêu thụ. Mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào thiết kế tua-bin, điều kiện môi trường, chiến lược điều khiển, tốc độ trục và yêu cầu về tải ổn định tối thiểu. Người vận hành có thể hạn chế tác động bằng cách xác định đặc tính tải thực tế, tránh vận hành không cần thiết ở tải thấp, giữ đường khí sạch và xác minh rằng các cài đặt điều khiển phù hợp với chế độ vận hành.

Tại sao hiệu suất giảm khi tải giảm

Tua-bin khí tạo ra điện năng bằng cách nén không khí, bổ sung nhiên liệu trong buồng đốt và giãn nở khí nóng qua tua-bin. Tại điểm định mức, máy nén, buồng đốt, tua-bin, máy phát và hệ thống điều khiển được thiết kế để phối hợp hoạt động gần dải vận hành hiệu quả nhất.

Ở tải một phần, nhu cầu điện giảm nên hệ thống điều khiển thường giảm lưu lượng nhiên liệu. Tuy nhiên, một số tổn thất nội bộ không giảm cùng tốc độ với công suất điện hữu ích. Máy nén vẫn cần công suất trục đáng kể để dịch chuyển và nén không khí. Tổn thất tại ổ trục, thiết bị bôi trơn, hệ thống làm mát, hệ thống lọc khí nạp, hộp số nếu được trang bị và máy phát vẫn tồn tại. Khi công suất thực trở nên nhỏ hơn, các tổn thất tương đối cố định này chiếm tỷ trọng lớn hơn trong công suất khả dụng.

Trong tổ máy chu trình đơn, việc giảm lưu lượng nhiên liệu cũng làm giảm nhiệt độ đầu vào tua-bin. Nhiệt độ khí thấp hơn làm giảm năng lượng sẵn có để giãn nở qua tua-bin. Tổ máy có thể vẫn ổn định và đáp ứng tốt, nhưng không còn khai thác năng lượng trong điều kiện nhiệt động lực học tối ưu. Đây là lý do một máy có thể trông vẫn hoạt động bình thường trong khi chi phí nhiên liệu trên mỗi kilowatt-giờ tăng đáng kể.

Máy nén không “tắt” khi nhu cầu giảm

Máy nén không khí của tua-bin là một trong những nguyên nhân chính khiến hiệu suất tải một phần thay đổi. Nó vẫn tiếp tục tiêu thụ công suất ngay cả khi máy phát tạo ra ít điện hơn. Tùy thuộc vào thiết kế máy, lưu lượng không khí có thể được điều khiển bằng cánh hướng dòng đầu vào, hình học biến thiên, bố trí xả khí, thay đổi tốc độ hoặc kết hợp các phương pháp này. Mỗi phương pháp có đặc tính vận hành tải một phần khác nhau.

Cánh hướng dòng đầu vào biến thiên có thể giảm lưu lượng không khí hiệu quả hơn so với chỉ giảm nhiên liệu, nhưng không loại bỏ công tiêu thụ của máy nén. Các tổ máy phát tốc độ cố định cũng có thể ít khả năng giảm tốc độ quay hơn do phải duy trì tần số lưới điện hoặc tần số đầu ra điện yêu cầu. Một hệ thống tốc độ biến thiên có điện tử công suất có thể có phạm vi vận hành khác, nhưng vẫn phải tuân thủ các giới hạn riêng về biên độ chống surge, nhiệt độ, khí thải và tổn thất chuyển đổi của máy phát.

Khi một cơ sở thay đổi cả nhu cầu điện năng và nhu cầu khí công nghệ, lịch vận hành cần được xem xét tổng thể. Một tổ máy máy nén công nghệ có thể thay đổi đáng kể mô hình tải của nhà máy, đặc biệt khi khởi động, giảm tải hoặc chuyển đổi giữa các trạng thái sản xuất. Việc phối hợp các thay đổi này có thể giảm thời gian máy phát tua-bin hoạt động không hiệu quả ở tải thấp ổn định.

Những gì người vận hành thường thấy ở tải thấp

Dấu hiệu đầu tiên thường là suất nhiệt cao hơn hoặc lượng nhiên liệu sử dụng trên mỗi đơn vị điện năng tạo ra tăng lên. Lưu lượng nhiên liệu có thể giảm về giá trị tuyệt đối, nhưng công suất đầu ra có thể giảm nhanh hơn mức tiêu thụ nhiên liệu. Sự khác biệt này quan trọng khi so sánh các giai đoạn vận hành: lưu lượng nhiên liệu thấp hơn không tự động có nghĩa là hiệu suất tốt hơn.

Các tác động khác có thể bao gồm phản ứng chậm hơn trước các thay đổi tải đột ngột, biến động phần trăm công suất lớn hơn và nhiệt độ khí xả giảm. Tùy theo tua-bin và hệ thống khí thải, tải rất thấp cũng có thể khiến quá trình cháy tiến gần hơn đến giới hạn vận hành ổn định. Hệ thống điều khiển có thể bảo vệ tổ máy bằng cách hạn chế giảm tải, thay đổi phân cấp nhiên liệu, mở hoặc đóng hình học biến thiên hoặc khởi động dừng máy khi các điều kiện vận hành tối thiểu không còn được đáp ứng.

Tải một phần không phải lúc nào cũng là cùng một điều kiện vận hành

Một máy phát vận hành ở 50% tải vào buổi sáng mát mẻ không nhất thiết hoạt động giống như chính máy phát đó ở 50% tải vào buổi chiều nóng. Nhiệt độ không khí đầu vào cao hơn làm giảm mật độ không khí và có thể làm giảm công suất khả dụng. Tổn thất áp suất khí nạp do bộ lọc bẩn, áp suất ngược khí xả cao, độ ẩm, chất lượng nhiên liệu và độ cao cũng có thể làm thay đổi thêm kết quả.

Đây là lý do việc so sánh hai ca chỉ dựa trên “phần trăm tải” có thể dẫn đến kết luận sai. Một đánh giá vận hành hữu ích sẽ ghi nhận công suất điện thực, lưu lượng nhiên liệu, nhiệt độ môi trường, điều kiện áp suất đầu vào và khí xả khi có sẵn, nhiệt độ khí xả, chế độ vận hành và các tải phụ chính. Mục tiêu không phải là tạo ra gánh nặng báo cáo quá mức mà là phân biệt vấn đề hiệu suất tải một phần thực sự với thay đổi do môi trường hoặc tình trạng thiết bị gây ra.

Mức tiêu thụ phụ trợ cần được đặc biệt chú ý. Bơm, quạt, hệ thống dầu, thông gió vỏ máy, thiết bị xử lý nhiên liệu và các phụ kiện dẫn động có thể sử dụng lượng điện tương đối ổn định. Ở công suất cao, đóng góp của chúng vào hiệu suất thực của nhà máy có thể không đáng kể. Ở công suất thấp, chúng có thể ảnh hưởng đáng kể đến chênh lệch giữa công suất tổng của máy phát và công suất thực hữu dụng.

Quyết định có nên duy trì tổ máy trực tuyến

Quyết định tốt nhất không phải lúc nào cũng là “vận hành ở tải cao nhất có thể”. Yêu cầu về độ tin cậy, dự phòng quay, tính liên tục của quá trình, các giới hạn lưới điện và thời gian khởi động có thể biện minh cho việc duy trì máy phát tua-bin trực tuyến dưới điểm hiệu suất tốt nhất. Điều quan trọng là nhận thức được chi phí của lựa chọn đó và vận hành trong dải tải đã được phê duyệt.

Khi có nhiều hơn một tổ máy phát, việc phân phối tải thường nên xem xét máy nào có thể đảm nhận tải yêu cầu với mức sử dụng nhiên liệu thấp nhất mà vẫn duy trì dự phòng đủ. Trong nhiều trường hợp, một tổ máy được tải phù hợp sẽ hiệu quả hơn hai tổ máy cùng chia sẻ nhu cầu nhỏ. Nguyên tắc này có giới hạn: các chu kỳ khởi động và dừng tạo ra ứng suất nhiệt, các yêu cầu bảo trì và tiêu thụ nhiên liệu trong quá trình khởi động. Do đó, một quyết định chỉ dựa trên suất nhiệt tức thời có thể chưa đầy đủ.

Một đánh giá thực tế có thể theo thứ tự sau:

1. Xác định thời gian nhu cầu dự kiến. Một khoảng thời gian tải thấp ngắn có thể không đủ để biện minh cho việc dừng hoặc cấu hình lại thiết bị.
2. Xác nhận dải vận hành liên tục được phê duyệt của tổ máy, bao gồm các hạn chế về đốt cháy, khí thải và nhiệt.
3. So sánh kW thực và mức tiêu thụ nhiên liệu với dữ liệu lịch sử thu thập trong các điều kiện môi trường tương tự.
4. Kiểm tra xem máy phát khác, hệ thống lưu trữ năng lượng hoặc kết nối lưới điện có thể đáp ứng phần tải cơ bản hoặc biến thiên hiệu quả hơn không.
5. Cân nhắc thời gian khởi động, biên độ dự phòng yêu cầu và ảnh hưởng bảo trì của các lần khởi động bổ sung trước khi thay đổi phương thức phân phối tải.

Các hành động điều khiển có thể làm vận hành tải thấp kém hơn

Một số tổn thất hiệu suất là vốn có của chu trình tua-bin, nhưng hành vi điều khiển có thể tránh được có thể làm tăng thêm chúng. Một máy phát liên tục dao động quanh điểm đặt có thể tiêu thụ nhiều nhiên liệu hơn và tích lũy các chu kỳ nhiệt không cần thiết. Biến động tải có thể do điều chỉnh bộ điều tốc kém, nhu cầu tại cơ sở không ổn định, cài đặt độ dốc hoặc đẳng thời không chính xác hoặc tương tác giữa các tổ máy song song.

Người vận hành nên phân biệt giữa phản ứng bình thường trước nhu cầu thay đổi và dao động kéo dài. Một xu hướng ổn định có thể cho thấy nhiên liệu giảm dần khi tải giảm. Một xu hướng có vấn đề có thể cho thấy công suất đầu ra, lưu lượng nhiên liệu hoặc nhiệt độ khí xả dao động lên xuống mà không có thay đổi tương ứng về nhu cầu tại cơ sở. Trước khi điều chỉnh các thông số điều khiển, cần xác minh chất lượng thiết bị đo lường và xem xét các quy trình vận hành áp dụng. Điều chỉnh không đúng có thể ảnh hưởng đến điều khiển tần số, chia tải và bảo vệ thiết bị.

Một sai lầm phổ biến khác là sử dụng điểm vận hành tải thấp làm đường cơ sở bình thường sau khi quá trình tại cơ sở đã thay đổi. Nếu nhu cầu trung bình của cơ sở đã vĩnh viễn giảm xuống dưới dải hiệu quả của máy phát, vấn đề không chỉ đơn giản là kỹ thuật của người vận hành. Cần đánh giá lại phương án cấp điện về kích thước tổ máy, logic phân phối tải, lịch trình quy trình hoặc việc sử dụng thiết bị bổ sung.

Mối liên hệ giữa bảo trì và hiệu suất tải một phần

Vận hành tải một phần không tự động làm hỏng tua-bin khí, nhưng có thể khiến các vấn đề tiềm ẩn về tình trạng thiết bị trở nên rõ ràng hơn. Cáu bẩn máy nén, hạn chế khí nạp, phớt xuống cấp, hao mòn buồng đốt, tình trạng vòi phun nhiên liệu và độ trôi cảm biến đều có thể làm thay đổi mối quan hệ giữa lưu lượng nhiên liệu và công suất điện. Một tổ máy có lưu lượng khí suy giảm có thể cần nhiều nhiên liệu hơn để tạo ra cùng một tải, và ảnh hưởng này có thể đặc biệt khó đánh giá khi máy đã vận hành xa điểm thiết kế.

Theo dõi xu hướng hữu ích hơn việc dựa vào một chỉ số đơn lẻ. So sánh các dải tải tương tự theo thời gian và tính đến điều kiện môi trường. Sự thay đổi dần dần về suất nhiệt đã hiệu chỉnh, độ chênh nhiệt độ khí xả, tỷ số áp suất, rung động hoặc đặc tính khởi động có thể cho thấy cần lập kế hoạch kiểm tra hoặc bảo trì. Các hoạt động bảo trì phải tuân theo hướng dẫn của nhà sản xuất thiết bị và quy trình an toàn đã được phê duyệt tại cơ sở, đặc biệt khi liên quan đến hệ thống nhiên liệu, bề mặt nóng, thiết bị quay và cách ly điện.

Mục tiêu vận hành: tải ổn định, có thông tin đầy đủ và phù hợp

Hiệu suất tải một phần không thể được đánh giá chỉ bằng công suất đầu ra của máy phát. Chỉ số hữu ích là mối quan hệ giữa công suất điện thực, mức sử dụng nhiên liệu, mức tiêu thụ phụ trợ và các giới hạn vận hành của máy cụ thể. Một máy phát điện tua-bin khí cỡ nhỏ có thể là lựa chọn phù hợp cho ứng dụng có chế độ tải biến thiên, nhưng chi phí hàng ngày của nó phụ thuộc nhiều vào tần suất hoạt động dưới dải vận hành hiệu quả.

Trong vận hành thường xuyên, hãy duy trì hồ sơ rõ ràng về tải, nhiên liệu, điều kiện môi trường và chế độ điều khiển; tránh chạy không tải ở tải thấp không cần thiết; đồng thời điều tra những biến động bất thường về suất nhiệt thay vì cho rằng đó là bình thường. Khi vận hành tải thấp trở nên kéo dài, việc xem xét phân phối tải và lịch nhu cầu thường hiệu quả hơn so với cố gắng khắc phục một giới hạn nhiệt động lực học bằng các điều chỉnh điều khiển nhỏ.