Cách điều chỉnh áp suất tuabin hơi trích để đáp ứng nhu cầu của quy trình

Áp suất trích hơi phù hợp không chỉ đơn giản là áp suất được ghi trong thông số kỹ thuật hơi công nghệ. Đó là áp suất phải có sẵn tại ống góp công nghệ trong điều kiện nguồn cung thấp nhất có thể xảy ra, sau khi tính đến tổn thất đường ống, tổn thất áp suất qua van điều khiển, độ không đảm bảo đo lường và sự thay đổi nhu cầu hơi. Việc đặt tua-bin hơi trích ở mức quá gần với yêu cầu công nghệ danh định có thể trông hiệu quả trên lý thuyết nhưng khiến nhà máy không thể duy trì áp suất ống góp khi tải dao động. Việc đặt áp suất cao không cần thiết có thể buộc phải tiết lưu ở hạ lưu và làm mất năng lượng có thể thu hồi.

Vì vậy, đối với tua-bin hơi trích, việc phù hợp áp suất là một quyết định của hệ thống thay vì chỉ là quyết định riêng của tua-bin. Tua-bin, ống góp công nghệ, lò hơi, các trạm giảm áp, hệ thống hồi nước ngưng và tải điện đều ảnh hưởng đến việc điều kiện trích hơi đã chọn có ổn định và hữu ích hay không.

Bắt đầu từ áp suất cần thiết tại điểm sử dụng

Nhu cầu công nghệ cần được xác định tại thiết bị tiêu thụ, không phải tại mặt bích trích hơi của tua-bin. Áo gia nhiệt của thiết bị phản ứng, máy sấy, thiết bị bay hơi, tháp tách, hệ thống gia nhiệt đường ống hoặc bình khử khí có thể yêu cầu các mức áp suất khác nhau vì các lý do khác nhau. Một số cần hơi bão hòa ở nhiệt độ xác định. Những thiết bị khác cần áp suất tối thiểu để duy trì khả năng điều khiển của van điều khiển hoặc ngăn hiện tượng nhấp nháy trong hệ thống phân phối. Một ống góp cũng có thể bao gồm các hộ sử dụng có độ nhạy khác nhau đáng kể đối với biến động áp suất.

Yêu cầu vận hành nên được thể hiện dưới dạng dải áp suất:

• áp suất cho phép tối thiểu tại hộ sử dụng quan trọng nhất;
• áp suất vận hành bình thường tại ống góp công nghệ;
• áp suất tối đa mà thiết bị công nghệ và van điều khiển có thể chấp nhận;
• lưu lượng hơi tối thiểu, bình thường và cực đại;
• thời gian và tần suất dự kiến của các đỉnh nhu cầu;
• trạng thái hơi mà quá trình yêu cầu, bao gồm độ bão hòa, độ quá nhiệt, khả năng chịu ẩm và đặc tính nước ngưng.

Từ dải này, hãy tính ngược đến điểm kết nối trích hơi của tua-bin. Tổn thất trong hệ thống phân phối không cố định. Một ống góp dài sẽ có tổn thất áp suất lớn hơn khi lưu lượng tăng, trong khi van cô lập đóng một phần, thiết bị tách có kích thước không đủ, lưới lọc bị bám bẩn hoặc van điều khiển có trở lực có thể tạo thêm tổn thất cục bộ. Giá trị đặt trích hơi phải bù cho các tổn thất này tại điều kiện lưu lượng quan trọng nhất, thay vì tại mức tiêu thụ hơi trung bình.

Một quá trình cần 10 barg tại điểm tiêu thụ xa nhất không tự động có nghĩa là cài đặt trích hơi phải là 10 barg. Tua-bin có thể cần cấp áp suất cao hơn đến ống góp để áp suất yêu cầu vẫn khả dụng sau khi mạng phân phối chịu phần tổn thất của mình. Biên độ cần thiết nên được tính từ bố trí đường ống thực tế và các trường hợp lưu lượng, không phải cộng thêm theo tỷ lệ phần trăm tùy ý.

Phân biệt trích hơi có điều khiển với áp suất phụ thuộc vào tải tua-bin

Sự khác biệt này quyết định liệu tua-bin có thực sự có thể hỗ trợ ống góp hơi công nghệ hay không.

Trong tua-bin trích hơi có điều khiển, hệ thống điều khiển trích hơi điều chỉnh lượng hơi đi vào các phần tua-bin phía hạ lưu để áp suất trích được duy trì gần giá trị đặt trong phạm vi vận hành cho phép của máy. Khi đó, tua-bin có thể đáp ứng các thay đổi của lưu lượng trích hơi công nghệ bằng cách điều chỉnh phân phối hơi bên trong, với điều kiện có đủ hơi đầu vào, dải giãn nở khả dụng và năng lực van điều khiển.

Trong bố trí trích hơi không điều khiển, áp suất trích hơi chủ yếu được quyết định bởi lưu lượng hơi qua tua-bin và đường đặc tính áp suất qua các tầng cánh. Khi tải điện, lưu lượng đầu vào, điều kiện bình ngưng hoặc lưu lượng hạ lưu thay đổi, áp suất trích cũng thay đổi theo. Bố trí như vậy có thể phù hợp khi hơi trích phục vụ hộ sử dụng có khả năng dung sai cao hoặc khi một thiết bị điều khiển áp suất khác bảo vệ ống góp công nghệ. Nó không thể thay thế nguồn cấp hơi công nghệ có điều áp khi quá trình yêu cầu dải áp suất hẹp.

Đây là một trong những sai sót lựa chọn có hệ quả lớn nhất: coi điểm trích hơi như một nguồn hơi có áp suất được đảm bảo. Định mức áp suất trích của nhà cung cấp tua-bin phải được xem xét cùng với dải lưu lượng trích, điều kiện đầu vào, điều kiện xả, dải tải máy phát điện và bố trí điều tốc. Chỉ riêng áp suất thiết kế được nêu ra hầu như không cho biết gì về độ ổn định áp suất trong các điều kiện vận hành thực tế.

Xây dựng cân bằng hơi dựa trên các trường hợp vận hành, không phải giá trị trung bình

Mức tiêu thụ hơi trung bình hằng năm hữu ích cho các nghiên cứu năng lượng nhưng không đủ để phù hợp áp suất. Câu hỏi liên quan là liệu tua-bin có thể duy trì áp suất trích cần thiết tại mọi tổ hợp có thể xảy ra của nhu cầu công nghệ và nhu cầu điện hay không.

Một cân bằng hơi thực tế tối thiểu nên bao gồm các điều kiện sau:

• nhu cầu công nghệ bình thường với tải máy phát bình thường;
• nhu cầu trích hơi tối đa;
• nhu cầu trích hơi tối thiểu;
• nhu cầu điện cao với nhu cầu công nghệ giảm;
• nhu cầu điện thấp với nhu cầu công nghệ cao;
• các điều kiện khởi động, làm ấm và tăng tải công nghệ;
• mất một nguồn hơi song song, trạm giảm áp hoặc hộ sử dụng công nghệ chính.

Các trường hợp khó thường là những trường hợp không tương ứng. Nhu cầu hơi công nghệ cao có thể làm giảm lượng hơi sẵn có để giãn nở qua phần áp suất thấp, từ đó giảm công suất điện. Ngược lại, nhu cầu công nghệ thấp có thể buộc nhiều hơi hơn đi qua các tầng áp suất thấp hoặc yêu cầu bypass, ngưng tụ hoặc giảm lưu lượng đầu vào. Triết lý vận hành phải quyết định nhu cầu nào được ưu tiên khi hai nhu cầu xung đột: áp suất ống góp công nghệ, công suất điện, độ ổn định lò hơi hay lưu lượng tối thiểu của tua-bin.

Không có câu trả lời chung cho mọi trường hợp. Trong một nhà máy công nghệ, mất áp suất hơi có thể trực tiếp làm gián đoạn sản xuất hoặc kiểm soát nhiệt độ thiết bị, vì vậy độ ổn định của ống góp có thể được ưu tiên. Trong một hệ thống khác, yêu cầu điện của lưới hoặc cơ sở có thể hạn chế tải tua-bin. Dải trích hơi định mức của tua-bin phải hỗ trợ ưu tiên đã chọn mà không phụ thuộc vào điều kiện vận hành chỉ được phép trong thời gian ngắn.

Kiểm tra chất lượng hơi, không chỉ áp suất

Áp suất quyết định nhiệt độ bão hòa, nhưng tính phù hợp với quá trình cũng phụ thuộc vào chất lượng hơi. Nếu quá trình cần hơi bão hòa để truyền nhiệt có thể dự đoán được, độ quá nhiệt quá mức có thể làm giảm khả năng đáp ứng điều khiển và làm phức tạp quá trình hình thành nước ngưng. Nếu hơi ẩm đi vào thiết bị yêu cầu hơi khô, nguy cơ xói mòn, truyền nhiệt kém và va đập thủy lực có thể tăng lên.

Hơi trích có thể cần giảm quá nhiệt, tách ẩm hoặc điều hòa ống góp tùy thuộc vào điều kiện xả của tua-bin và yêu cầu công nghệ. Các thiết bị này gây tổn thất áp suất và có giới hạn vận hành riêng, do đó phải được đưa vào tính toán áp suất. Bộ giảm quá nhiệt cũng cần chênh áp đầy đủ và điều kiện nước phun phù hợp để kiểm soát nhiệt độ hiệu quả.

Hệ thống hồi nước ngưng cũng cần được chú ý tương tự. Nếu áp suất công nghệ được chọn tạo ra nước ngưng ở áp suất không tương thích với hệ thống hồi, hơi nhấp nháy, áp suất ngược, giới hạn bơm hoặc hoạt động không ổn định của bẫy hơi có thể ảnh hưởng đến cân bằng hơi. Một lựa chọn áp suất có vẻ hiệu quả tại tua-bin có thể gây ra vấn đề vận hành ở hạ lưu nếu mạng nước ngưng được thiết kế dựa trên một mức áp suất khác.

Duy trì biên độ điều khiển áp suất mà không biến tua-bin thành một trạm tiết lưu

Van trích hơi có điều khiển cần chênh áp sử dụng được để điều chỉnh lưu lượng. Nếu giá trị đặt trích hơi chỉ cao hơn không đáng kể so với yêu cầu của ống góp, van có thể đạt vị trí mở hoàn toàn trong thời điểm nhu cầu cực đại và mất khả năng duy trì áp suất. Nếu giá trị đặt cao hơn nhiều so với yêu cầu, van sẽ liên tục tiết lưu hơi, biến chênh áp có khả năng hữu ích thành tổn thất có thể tránh được.

Giá trị đặt tốt nhất nói chung là áp suất trích thấp nhất vẫn duy trì được áp suất công nghệ yêu cầu tại hộ sử dụng quan trọng trong điều kiện lưu lượng tối đa đã xác định, đồng thời giữ đủ biên độ điều khiển cho các nhiễu động thông thường. Kết luận đó phải được kiểm tra theo bản đồ hiệu suất tua-bin. Áp suất trích thấp hơn có thể tăng công giãn nở khả dụng, nhưng chỉ khi vẫn tương thích với yêu cầu nhiệt độ công nghệ, thiết bị hạ lưu và vận hành tua-bin ổn định.

Khi một nhà máy phục vụ nhiều cấp áp suất, có thể hiệu quả hơn khi trích hơi tại áp suất ống góp cao nhất thực sự hữu ích và sử dụng trạm giảm áp/giảm quá nhiệt có điều khiển cho một ống góp áp suất thấp nhỏ hơn. Đây không tự động là bố trí hiệu quả nhất; nó phụ thuộc vào lưu lượng và tính liên tục của nhu cầu áp suất thấp. Điều quan trọng là tránh tạo ra áp suất trích cao chỉ vì một hộ sử dụng nhỏ, gián đoạn cần mức áp suất đó.

Nguyên tắc tương tự áp dụng cho thiết bị phụ trợ. Các hệ thống thủy lực có thể sử dụng thiết bị nhưBơm bùn, nhưng việc lựa chọn áp suất xả của thiết bị này độc lập với điều khiển ống góp hơi. Việc đưa các định mức áp suất từ những hệ thống tiện ích không liên quan vào cân bằng hơi có thể dẫn đến các giả định sai về biên độ điều khiển khả dụng.

Tuân thủ phạm vi vận hành của tua-bin

Không thể lựa chọn tua-bin hơi trích chỉ dựa trên áp suất và lưu lượng trích mong muốn. Các giới hạn của nó có thể bao gồm lưu lượng trích tối đa, lưu lượng tối thiểu qua các tầng hạ lưu, năng lực van đầu vào, giới hạn áp suất xả, giới hạn nhiệt độ vỏ máy, giới hạn lực đẩy rô-to, khả năng của máy phát, và tốc độ thay đổi tải cho phép. Các giới hạn chính xác phụ thuộc vào thiết kế tua-bin và bố trí điều khiển.

Lưu lượng trích cao làm giảm lượng hơi tiếp tục đi đến phần áp suất thấp. Đến một mức nào đó, lưu lượng thấp qua các tầng này có thể làm suy giảm khả năng làm mát, tăng tổn thất thông gió hoặc đưa tua-bin ra ngoài vùng vận hành được phê duyệt. Ở cực ngược lại, nhu cầu trích không đủ có thể làm tăng áp suất ống góp trừ khi lượng hơi vào tua-bin, khả năng bypass, khả năng ngưng tụ hoặc một hộ tiêu thụ hơi khác hấp thụ phần chênh lệch.

Những ràng buộc này đặc biệt quan trọng khi ống góp công nghệ được kỳ vọng đóng vai trò bộ đệm cho nhu cầu thay đổi nhanh. Một ống góp hơi có một mức độ tích trữ áp suất nhất định, nhưng không phải là kho dự trữ năng lượng lớn. Các thay đổi trích hơi đột ngột có thể diễn ra nhanh hơn khả năng phối hợp hoàn toàn của điều khiển đốt lò hơi, phản hồi van tua-bin và phản hồi bộ giảm quá nhiệt. Tua-bin và sơ đồ điều khiển được chọn phải được đánh giá theo tốc độ thay đổi dự kiến, không chỉ tại các điểm trạng thái ổn định.

Sử dụng kiến trúc điều khiển phản ánh ưu tiên vận hành

Điều khiển áp suất thông thường phụ thuộc vào sự phối hợp giữa bộ điều khiển áp suất trích, bộ điều tốc tua-bin, nguồn cấp hơi đầu vào, điều khiển tải máy phát và mọi trạm PRDS hoặc bypass. Phối hợp kém có thể tạo ra dao động: van trích phản ứng với việc áp suất ống góp giảm, tải máy phát thay đổi, điều khiển lò hơi phản hồi, và sau đó áp suất ống góp vượt quá mức yêu cầu.

Biến được điều khiển phải rõ ràng. Nếu áp suất ống góp công nghệ là ưu tiên, bộ điều khiển trích hơi cần có đủ quyền điều khiển để bảo vệ áp suất đó trong giới hạn tua-bin, trong khi công suất điện phụ thuộc vào phần giãn nở hơi còn khả dụng. Nếu công suất điện được giữ chặt thay vào đó, có thể cần một nguồn điều khiển áp suất độc lập như PRDS để bảo vệ các hộ sử dụng công nghệ khi xảy ra nhiễu động.

Việc cảm biến áp suất phải thể hiện điều kiện ống góp có ý nghĩa về mặt vận hành. Một bộ truyền tín hiệu lắp ngay tại đầu ra tua-bin có thể hiển thị áp suất chấp nhận được trong khi một hộ sử dụng ở xa đang thiếu áp. Ngược lại, đặt điểm cảm biến duy nhất ở cuối một nhánh dao động có thể khiến bộ điều khiển tua-bin chạy theo nhiễu động cục bộ. Nhiều phép đo, các điểm điều khiển được lựa chọn phù hợp và so sánh với số đọc của ống góp ở xa sẽ cải thiện việc chẩn đoán.

Thông tin lựa chọn giúp tránh các bất ngờ về sau

Trước khi xác nhận điều kiện trích hơi, nhà cung cấp tua-bin và đội ngũ nhà máy nên dựa trên cùng một cơ sở tài liệu: dải áp suất và nhiệt độ đầu vào, dải áp suất trích, dải lưu lượng trích, điểm xả và dải áp suất ngược, dải công suất điện yêu cầu, chất lượng hơi công nghệ, tính toán tổn thất áp suất ống góp, triết lý điều khiển, điều kiện khởi động và các nguồn hơi dự phòng.

Trong quá trình chạy thử, hãy so sánh tổn thất áp suất dự đoán và đo được tại một số mức lưu lượng, xác minh hành trình van và phản hồi bộ điều khiển, đồng thời xác nhận rằng ống góp công nghệ vẫn nằm trong giới hạn khi tải thay đổi thực tế. Nếu độ ổn định áp suất phụ thuộc vào việc van duy trì gần như mở hoàn toàn hoặc gần như đóng hoàn toàn, điểm vận hành đã chọn có khả năng phục hồi thấp. Xem xét lại giá trị đặt trích hơi, trở lực đường ống, hiệu chỉnh điều khiển hoặc bố trí áp suất dự phòng sẽ tốt hơn việc chấp nhận tình trạng mất ổn định kéo dài.

Một tua-bin hơi trích được lựa chọn phù hợp sẽ cấp hơi công nghệ ở áp suất thực tế thấp nhất đáp ứng yêu cầu thực của ống góp, đồng thời duy trì quyền điều khiển và hoạt động trong phạm vi lưu lượng-tải được phép của tua-bin. Sự cân bằng đó—không phải định mức trích hơi danh định—mới quyết định liệu hệ thống có mang lại vận hành công nghệ ổn định và thu hồi điện năng hữu ích hay không.