Tại sao tuabin hơi xung lực bị giảm công suất khi áp suất hơi giảm

Tuabin xung lực hơi nước bị giảm công suất khi áp suất hơi đầu vào giảm làm lưu lượng hơi, năng lượng sẵn có để giãn nở hoặc cả hai cùng giảm. Kết quả là mô-men xoắn trên trục thấp hơn. Tốc độ ban đầu có thể vẫn ổn định vì bộ điều tốc mở van điều khiển, máy phát điện nối lưới vẫn duy trì tốc độ đồng bộ hoặc cụm quay tạm thời cung cấp năng lượng trong khi giảm tốc.

Do đó, cần lưu ý tình trạng giảm áp suất ngay cả trước khi tốc độ thay đổi. Ảnh hưởng phụ thuộc vào vị trí đo áp suất, nhiệt độ hơi, áp suất khí xả và dung lượng điều khiển còn lại của van. Câu hỏi vận hành đầu tiên là liệu tuabin còn có thể cung cấp tải yêu cầu trong giới hạn vận hành đã được phê duyệt hay không.

Áp suất thấp hơn làm giảm công suất trục như thế nào

Trong tầng xung lực, hơi giãn nở chủ yếu qua các vòi phun tĩnh, chuyển một phần năng lượng sẵn có thành vận tốc. Cánh động thu công bằng cách thay đổi hướng và động lượng của dòng hơi đó. Áp suất thấp hơn có thể làm suy yếu quá trình này theo hai cơ chế riêng biệt: lượng hơi đi qua vòi phun ít hơn và mỗi kilôgam hơi có thể có ít năng lượng hơn để chuyển thành công.

Ít hơi đến cánh hơn

Với diện tích vòi phun cố định hoạt động trong điều kiện dòng nghẽn, lưu lượng khối lượng hơi phụ thuộc mạnh vào áp suất tuyệt đối ngay phía trước vòi phun, cũng như nhiệt độ và các tính chất của hơi. Dòng nghẽn nghĩa là những thay đổi của áp suất phía sau không còn chi phối lưu lượng khối lượng theo cùng cách; điều đó không có nghĩa là lưu lượng không phụ thuộc vào áp suất phía trước.

Nếu áp suất đầu vào vòi phun giảm trong khi nhiệt độ gần như không đổi, lưu lượng khối lượng thường sẽ giảm. Ngay cả khi tia hơi vẫn duy trì vận tốc tương đối cao, lượng hơi đến cánh mỗi giây ít hơn, làm giảm sự truyền động lượng tạo ra mô-men xoắn. Bộ điều tốc có thể bù bằng cách mở van cấp hơi, nhưng chỉ khi vẫn còn đủ dung lượng van và nguồn cấp hơi.

Năng lượng giãn nở sẵn có có thể giảm

Năng lượng sẵn có để giãn nở phụ thuộc vào cả điều kiện đầu vào và áp suất đầu ra. Khi áp suất đầu vào giảm nhưng áp suất khí xả không đổi, độ giảm entanpi đẳng entropy sẵn có thường sẽ giảm. Khi đó, vòi phun có thể tạo ra tia hơi có vận tốc thấp hơn và cánh có ít năng lượng hơn để thu từ mỗi kilôgam hơi.

Tỷ số áp suất giúp giải thích chiều hướng thay đổi, nhưng bản thân nó không thể xác định mức tổn thất công suất. Nhiệt độ hơi cũng quan trọng, và chỉ số áp suất không đủ để xác định trạng thái nhiệt động của hơi đầu vào. Tính toán áp suất cũng cần dùng giá trị tuyệt đối; lấy thương số từ các số đo áp suất dư có thể cho ra tỷ số sai lệch.

Một mối quan hệ vận hành hữu ích là công suất trục phụ thuộc vào lưu lượng khối lượng hơi nhân với năng lượng hữu ích được thu trên mỗi đơn vị khối lượng. Nếu cả hai cùng giảm, ảnh hưởng sẽ cộng dồn. Không có quy tắc chung đáng tin cậy nào cho rằng một tỷ lệ giảm nhất định của áp suất đầu vào sẽ dẫn đến tỷ lệ giảm công suất tương ứng.

Hiệu suất cánh cũng có thể thay đổi. Ở tốc độ rôto không đổi, vận tốc vòi phun thấp hơn làm thay đổi mối quan hệ giữa tốc độ cánh và tốc độ hơi. Điều này khiến tầng tuabin lệch khỏi quan hệ vận tốc thiết kế và có thể làm giảm hiệu suất thêm. Mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào thiết kế tuabin và điểm vận hành.

Vì sao tốc độ ổn định có thể che giấu sản lượng giảm

Ở máy phát điện nối với lưới điện ổn định, tốc độ tuabin được duy trì theo tần số lưới. Mô-men xoắn hơi giảm thường thể hiện thành sản lượng điện thấp hơn trong khi tốc độ về cơ bản vẫn không đổi. Do đó, người vận hành nên theo dõi xu hướng công suất tác dụng cùng với áp suất đầu vào và vị trí van. Chỉ báo tốc độ ổn định không chứng minh rằng tuabin đang duy trì sản lượng.

Đối với tuabin dẫn động bơm hoặc máy nén, bộ điều tốc ban đầu có thể duy trì tốc độ bằng cách tăng lượng hơi cấp vào. Dấu hiệu cảnh báo hữu ích thường là tín hiệu vị trí van tăng nhưng tải đầu ra cải thiện rất ít. Khi van đạt đến giới hạn cấp hơi hiệu dụng, áp suất tiếp tục giảm sẽ khiến tuabin không thể duy trì cùng điểm vận hành.

Chỉ riêng việc van mở không chứng minh rằng đủ hơi đang đến vòi phun. Hệ thống điều khiển có thể ra lệnh mở thêm, trong khi lỗi bộ truyền động, lưới lọc bị tắc, giới hạn nguồn cấp hoặc van phía trước đóng một phần ngăn cản mức tăng lưu lượng như mong đợi. Nếu thiết bị đo cho phép, hãy so sánh vị trí được lệnh, vị trí thực tế và áp suất trên đường cấp hơi.

Đặc tính của thiết bị được dẫn động cũng rất quan trọng. Giảm tải có thể giúp tốc độ duy trì ổn định dù khả năng của tuabin đã giảm. Ngược lại, nhu cầu của máy nén hoặc bơm tăng có thể khiến tốc độ giảm đồng thời với sự cố áp suất hơi. Hãy theo dõi quá trình của thiết bị được dẫn động cùng với tuabin để phân biệt các ảnh hưởng này.

Xác định vị trí tổn thất áp suất trước khi thay đổi cài đặt

Bắt đầu bằng hồ sơ dữ liệu đồng bộ theo thời gian gồm áp suất đường ống góp cấp hơi, áp suất đầu vào tuabin, nhiệt độ hơi, áp suất khí xả, lưu lượng hơi, vị trí van, tốc độ và tải đầu ra. Sử dụng thiết bị đo hiện có và tuân thủ quy trình vận hành đã được phê duyệt. Kiểm tra vị trí cảm biến và xác định áp suất hiển thị được đo ở phía trước hay phía sau van điều khiển; hai số đo này trả lời những câu hỏi khác nhau.

• Áp suất đường ống góp và áp suất đầu vào tuabin cùng giảm: kiểm tra năng lực tạo hơi, nhu cầu hơi cạnh tranh, thiết bị giảm áp và những thay đổi trong hệ thống cấp hơi. Khả năng xảy ra sự cố chung của nguồn cấp tăng lên.
• Áp suất đường ống góp ổn định nhưng áp suất đầu vào tuabin giảm: kiểm tra đường cấp hơi. Kiểm tra trạng thái đóng mở của van cô lập, lưới lọc, hoạt động của van điều khiển và tổn thất áp suất trên đường ống. So sánh các điều kiện ở lưu lượng hơi tương tự vì tổn thất áp suất qua chỗ hạn chế thay đổi theo lưu lượng.
• Áp suất đầu vào ổn định trong khi áp suất khí xả tăng: năng lượng giãn nở giảm có thể giải thích cho tổn thất công suất. Đối với tuabin ngưng tụ, kiểm tra điều kiện bình ngưng và hiệu suất của hệ thống chân không. Đối với tuabin đối áp, kiểm tra đường ống góp hơi tiếp nhận và nhu cầu phía sau.
• Áp suất và nhiệt độ có vẻ ổn định nhưng sản lượng giảm: mở rộng phạm vi kiểm tra sang lưu lượng hơi thực tế, tín hiệu phản hồi của van, tải của thiết bị được dẫn động và tình trạng tuabin. Số đo ổn định tại một vị trí không loại trừ khả năng có hạn chế ở đường cấp hơi hoặc bên trong thiết bị.

Trình tự diễn biến giúp thu hẹp nguyên nhân. Áp suất đường ống góp giảm, sau đó vị trí van tăng và sản lượng giảm là dấu hiệu phù hợp với tình trạng nguồn cấp bị hạn chế. Nếu lệnh điều khiển van thay đổi trước khi áp suất giảm, nguyên nhân có thể liên quan đến phản ứng điều khiển hoặc thay đổi tải. Hãy tính đến thời gian đáp ứng của thiết bị đo trước khi xem chênh lệch thời gian nhỏ là bằng chứng xác định.

Nếu sự cố xảy ra sau bảo trì hoặc thay đổi cấu hình đường ống, trước tiên hãy kiểm tra thiết bị liên quan. Xác nhận vị trí van và tình trạng sẵn sàng của thiết bị đo theo quy trình tại cơ sở. Không mở đường xả, đường bypass hoặc các đầu nối đang có áp chỉ để kiểm tra một giả thuyết.

Kiểm tra nhiệt độ, điều kiện khí xả và giới hạn vận hành

Mức giảm áp suất đi kèm giảm nhiệt độ có thể làm giảm khả năng của tuabin nhiều hơn mức suy giảm áp suất đơn thuần cho thấy. Đánh giá cả hai số đo theo điều kiện hơi đầu vào quy định. Áp suất và nhiệt độ đầu vào kết hợp có thể cho biết mức quá nhiệt đang giảm, nhưng bản thân chúng không xác định được trạng thái của hơi trong toàn bộ đường giãn nở.

Nghi ngờ hơi cuốn theo nước, rung động bất thường, tiếng ồn khác thường hoặc vận hành không ổn định cần được xử lý theo hướng dẫn vận hành tuabin. Khôi phục áp suất đường ống góp không giải quyết được vấn đề chất lượng hơi. Kiểm tra các bộ tách liên quan, hệ thống thoát nước và điều kiện của nồi hơi hoặc hệ thống điều hòa hơi theo quy trình hiện hành.

Áp suất khí xả cũng cần được quan tâm tương đương. Khôi phục áp suất đầu vào có thể mang lại rất ít cải thiện nếu chân không bình ngưng vẫn kém hoặc áp suất đường ống góp đối áp vẫn cao. So sánh điều kiện đầu vào và đầu ra hiện tại với đường cong hiệu suất hoặc bản đồ vận hành của nhà sản xuất. Đây là cơ sở đáng tin cậy hơn để đánh giá sản lượng có thể phục hồi so với việc giả định một tỷ lệ chuyển đổi giữa áp suất và công suất.

Khi đã sử dụng hết khả năng cấp hơi, hãy giảm tải trong phạm vi cho phép của tuabin và quy trình được dẫn động, đồng thời xử lý hạn chế nguồn cấp hoặc khí xả đã xác định. Liên tục tăng yêu cầu tốc độ hoặc tải không thể tạo thêm năng lượng hơi. Tăng áp suất cấp vượt quá giới hạn thiết bị không phải là biện pháp phục hồi chấp nhận được.

Sau khi điều kiện ổn định, hãy so sánh sản lượng ở các điều kiện tương tự về nhiệt độ đầu vào, áp suất khí xả, tốc độ và tải. Nếu hiệu suất được khôi phục, bằng chứng cho thấy nguyên nhân là giới hạn do điều kiện vận hành. Nếu vẫn còn thiếu hụt, hãy lưu lại hồ sơ xu hướng để xem xét tập trung vào thiết bị đo, hành trình van, các chỗ hạn chế và tình trạng bên trong tuabin. Việc so sánh này giúp xác định bước tiếp theo thuộc về vận hành hệ thống hơi, bảo trì điều khiển hay kiểm tra tuabin.