Tua-bin hơi trích hơi là gì và được sử dụng ở đâu?

Tua-bin hơi trích hơi tạo ra công suất cơ học hoặc điện năng, đồng thời chuyển hướng một phần dòng hơi tại một hoặc nhiều tầng trung gian. Hơi được trích có thể cung cấp nhiệt cho quy trình công nghiệp, mạng lưới sưởi ấm khu vực hoặc thiết bị ngay trong nhà máy điện. Phần hơi còn lại tiếp tục giãn nở trong tua-bin và tạo ra công suất bổ sung.

Điểm khác biệt chính là hơi được trích ra qua một cửa lấy hơi trước cửa xả cuối cùng của tua-bin. Cách bố trí này có thể cung cấp nhiệt hữu ích bên cạnh điện năng, nhưng cũng làm thay đổi lượng hơi còn lại để tạo công suất ở các tầng phía sau. Hiệu quả của phương án này phần lớn phụ thuộc vào nhu cầu hơi của nhà máy và sự biến động của nhu cầu đó theo thời gian.

Tua-bin hơi trích hơi hoạt động như thế nào?

Hơi đi vào tua-bin ở áp suất và nhiệt độ tương đối cao. Khi đi qua các dãy cánh tua-bin liên tiếp, hơi giãn nở và truyền năng lượng cho trục quay. Trục có thể dẫn động máy phát điện hoặc thiết bị cơ khí như máy nén hay máy bơm.

Tại một tầng trung gian được chọn, một phần hơi thoát ra qua đầu nối trích hơi. Áp suất và nhiệt độ của hơi phụ thuộc vào vị trí trích và điều kiện vận hành. Phần hơi còn lại tiếp tục đi qua các tầng phía sau cho đến khi đến cửa xả tua-bin.

Hãy xem xét một nhà máy cần điện và hơi áp suất trung bình cho quy trình sản xuất. Thay vì đưa toàn bộ hơi từ lò hơi qua tua-bin xuống mức áp suất thấp nhất, nhà máy có thể chuyển hướng một phần hơi tại mức áp suất trung gian phù hợp với quy trình. Hơi được trích truyền nhiệt trong thiết bị công nghệ; nước ngưng tạo thành có thể được thu gom và đưa trở lại hệ thống lò hơi khi điều kiện cho phép.

Trích hơi không tạo ra thêm năng lượng. Lượng hơi được lấy ra trước các tầng cuối của tua-bin không thể tạo ra phần công suất mà lẽ ra nó sẽ tạo được tại các tầng đó. Lợi ích tiềm năng đến từ việc sử dụng phần nhiệt năng còn lại trong hơi được trích thay vì xem đó là nhiệt thải.

Trích hơi có điều chỉnh và không điều chỉnh

Không phải mọi điểm trích hơi đều hoạt động theo cùng một cách. Trong cấu hình trích hơi có điều chỉnh, van và hệ thống điều khiển tua-bin điều chỉnh các điều kiện quanh điểm trích để giúp duy trì áp suất hơi xác định khi nhu cầu thay đổi. Cách này hữu ích khi quy trình cần nguồn hơi có áp suất tương đối ổn định. Lưu lượng và áp suất trích đạt được vẫn phụ thuộc vào thiết kế tua-bin và giới hạn vận hành của thiết bị.

Trong cấu hình trích hơi không điều chỉnh, hơi được lấy từ một tầng trung gian mà không có cơ chế điều chỉnh riêng áp suất trích. Áp suất này thay đổi theo tải tua-bin và lưu lượng hơi. Trích hơi không điều chỉnh có thể phù hợp khi thiết bị kết nối có thể chấp nhận những thay đổi đó, chẳng hạn trong một số cấu hình gia nhiệt nước cấp.

Tua-bin có thể có nhiều hơn một điểm trích hơi, cấp hơi ở các mức áp suất khác nhau. Tuy nhiên, mỗi đầu nối bổ sung phải phù hợp với cân bằng hơi tổng thể và hệ thống điều khiển. Không nên mặc định rằng mọi điểm trích hơi đều có thể cấp áp suất được điều chỉnh độc lập.

Tua-bin trích hơi-ngưng tụ và tua-bin trích hơi-đối áp

Trích hơi mô tả vị trí hơi được lấy ra khỏi tua-bin; bản thân thuật ngữ này không cho biết điều gì xảy ra với phần hơi còn lại. Hai cấu hình phổ biến khác nhau ở điều kiện xả cuối cùng.

Ở tua-bin trích hơi-ngưng tụ, phần hơi còn lại đi qua các tầng áp suất thấp rồi đến bình ngưng. Trong điều kiện ngưng tụ bình thường, bình ngưng hoạt động dưới áp suất khí quyển, cho phép hơi giãn nở nhiều hơn và do đó tạo ra nhiều điện năng hơn từ phần hơi không được trích. Cần có hệ thống làm mát để thải nhiệt khỏi bình ngưng.

Ở tua-bin trích hơi-đối áp, phần hơi còn lại được xả ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển để phục vụ nhu cầu gia nhiệt hoặc quy trình, thay vì xả vào bình ngưng chân không. Do đó, tua-bin có thể cấp hơi tại điểm trích trung gian và tại cửa xả. Sản lượng điện gắn chặt với lượng hơi mà các hộ tiêu thụ nhiệt kết nối có thể tiếp nhận, trừ khi hệ thống tổng thể có một đầu ra hơi phù hợp khác.

Các loại này hữu ích khi xem xét mô tả thiết bị. Ví dụ, dòng Tua-bin hơi bao gồm cả cấu hình trích hơi-ngưng tụ và trích hơi-đối áp. Sự khác biệt này rất quan trọng vì nhà máy cần hơi quy trình áp suất thấp ở cửa xả sẽ có cách bố trí hệ thống hơi khác với nhà máy được thiết kế xoay quanh bình ngưng.

Hơi được trích dùng ở đâu?

Ứng dụng dễ nhận biết nhất là đồng phát nhiệt và điện, trong đó cùng một hệ thống hơi phục vụ cả phát điện lẫn nhu cầu gia nhiệt hữu ích. Trích hơi cũng được sử dụng ngay trong các nhà máy điện, kể cả khi không cấp hơi cho quy trình công nghiệp bên ngoài.

• Bột giấy và giấy: Hơi có thể phục vụ các nhu cầu như sấy và gia nhiệt quy trình khác, đồng thời tua-bin cấp điện. Áp suất trích cần thiết phụ thuộc vào mạng lưới hơi và điều kiện vận hành của nhà máy giấy.
• Cơ sở hóa chất và lọc dầu: Hơi áp suất trung gian có thể đáp ứng nhu cầu gia nhiệt và các nhu cầu quy trình khác. Có thể cần nhiều mức áp suất, vì vậy cân bằng hơi tại cơ sở là yếu tố quan trọng trong thiết kế tua-bin.
• Sản xuất thực phẩm và đồ uống: Hơi được trích có thể phục vụ các công đoạn gia nhiệt, nấu, sấy hoặc vệ sinh khi có hệ thống hơi phù hợp. Cần xem xét yêu cầu về chất lượng hơi và việc cách ly hơi khỏi sản phẩm đối với từng ứng dụng.
• Sưởi ấm khu vực: Hơi được trích có thể làm nóng nước trong các bộ trao đổi nhiệt để phân phối đến các tòa nhà. Nhu cầu sưởi ấm thay đổi theo thời tiết và mùa, ảnh hưởng đến cả lưu lượng trích hơi lẫn sản lượng điện.
• Nhà máy phát điện: Hơi được trích từ các tầng trung gian có thể gia nhiệt nước cấp lò hơi trước khi nước quay lại bộ tạo hơi. Cách gia nhiệt tái sinh này cải thiện hiệu suất nhiệt động của chu trình hơi, dù làm giảm lượng hơi sẵn có cho các tầng tua-bin phía sau.
• Hệ thống sinh khối, biến chất thải thành năng lượng và nhiệt thải: Khi các nguồn này tạo ra hơi phù hợp, trích hơi có thể phục vụ nhu cầu nhiệt đồng thời với phát điện. Giá trị của phương án phụ thuộc vào độ tin cậy và thời điểm có hơi cũng như nhu cầu nhiệt.

Không phải cơ sở nào cũng cần sử dụng trích hơi trong các ứng dụng này. Nhà máy không có nhu cầu sử dụng thực tế đối với hơi áp suất trung gian có thể không có nhiều lý do để chuyển hướng hơi khỏi tua-bin. Ngược lại, cơ sở có tải nhiệt đáng kể có thể cân nhắc trích hơi như một phần của hệ thống hơi và điện tổng thể.

Những yếu tố nào quyết định trích hơi có phù hợp hay không?

Áp suất và nhiệt độ hơi cần được xem xét trước cấu hình tua-bin. Hộ tiêu thụ nhiệt dự kiến phải nhận được hơi ở điều kiện có thể sử dụng, đồng thời tính đến tổn thất áp suất trong đường ống và thiết bị điều khiển. Việc chọn điểm trích chỉ vì tua-bin có sẵn điểm đó có thể khiến quy trình không đủ áp suất hoặc nhận hơi có cấp nhiệt cao hơn mức cần thiết.

Cần xem xét đồng thời nhu cầu nhiệt và nhu cầu điện. Khi nhu cầu hơi quy trình tăng, lượng hơi trích có thể tăng và lượng hơi còn lại để tạo công suất ở các tầng phía sau giảm. Khi nhu cầu nhiệt giảm, hệ thống phải có khả năng xử lý lưu lượng thay đổi. Trong giới hạn thiết kế, tổ máy trích hơi-ngưng tụ có thể tiếp tục đưa lượng hơi phù hợp đến bình ngưng; cấu hình đối áp cần có nơi sử dụng phù hợp hoặc giải pháp khác cho hơi xả.

Biến động vận hành quan trọng không kém điểm thiết kế. Lịch sản xuất, tải sưởi ấm theo mùa, sản lượng lò hơi và nhu cầu máy phát điện đều có thể thay đổi. Lưu lượng trích tối thiểu và tối đa, dải điều khiển áp suất, giới hạn tải tua-bin và điều kiện khởi động giúp xác định liệu cấu hình có thể đáp ứng nhu cầu của cơ sở trong suốt các biến động đó hay không.

Các phương án xử lý nước ngưng và làm mát ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống. Thu hồi nước ngưng sạch có thể giảm nhu cầu nước bổ sung và bảo toàn nhiệt, nhưng phương án hồi lưu phụ thuộc vào điều kiện quy trình và nguy cơ nhiễm bẩn. Tua-bin ngưng tụ cũng cần hệ thống làm mát và xử lý nước ngưng phù hợp; cần xem xét các yêu cầu này cùng với khả năng tăng sản lượng điện.

Vì vậy, tốt nhất nên hiểu tua-bin trích hơi là giải pháp phân bổ năng lượng của hơi giữa việc phát điện và một hoặc nhiều nhu cầu nhiệt hữu ích. Tính phù hợp không chỉ phụ thuộc vào tua-bin mà còn vào áp suất, lưu lượng, lịch vận hành và thiết bị kết nối của toàn bộ hệ thống hơi.