[bkeps.com]Trong tình hình thị trường hiện nay, nâng hiệu suất tuabin khí, dù chỉ được chưa đầy một phần trăm, cũng là rất có giá trị. Đây là động lực thúc đẩy các nhà chế tạo tuabin áp dụng giải pháp chủ động điều chỉnh khe hở giữa cánh và vỏ máy các tuabin cấp F, G và H.

Nâng cấp các tuabin V94.3A

Trong vòng hơn 4 năm nay tại Mainz-Wiesbaden, Siemens không ngừng cải tiến chiếc tuabin khí lớn nhất của họ, chiếc SGT54000F cấp F (trước đây mang tên V94.3A). Các cải tiến này bao gồm việc thiết kế lại cánh và cánh hướng dòng tầng 1 và 2 của máy nén khí, bố trí lại cánh tầng 4 để giảm tổn thất khí động tại mức lưu khối (mass flow) tăng cao, thay đổi các thông số vận hành để giữ ở chế độ trộn sơ bộ (cho phép hạn chế phát thải) dưới 50% phụ tải và cải tiến vật liệu gốm chắn nhiệt. Kết quả là đã cải thiện được khí động học máy nén khí và tuabin, tăng công suất tuabin khí, góp phần xác lập kỷ lục thế giới thời đó: hiệu suất nhiệt chu trình hỗn hợp đạt 58,4%. Trong quá trình tiếp tục triển khai này, các kỹ sư cũng đã tạo ra hệ thống thủy lực cho phép giảm khe hở hướng kính, tức là khoảng hở giữa cánh tuabin và vỏ máy.

                        Hình 2. Nguyên lý làm việc của hệ thống HCO

Dự án này thực hiện trên tuabin khí V94.3A chạy bằng khí tự nhiên có đốt kèm dầu, quay máy phát điện làm mát bằng hyđro, công suất 330 MVA. Như chúng ta đã biết, tuabin V94.3A cấp F chính là tiền thân của tuabin SF58000H và tuabin này chắc chắn sẽ được nâng cấp nhờ các công trình triển khai thực hiện tại nhà máy KMW. Thiết bị bao gồm một tuabin hơi ba xilanh ngưng hơi trích hơi, mã hiệu SST5-6000, công suất 140 MW, trong cấu hình nhiều trục 1 + 1, kéo một máy phát làm mát bằng không khí, công suất 200 MVA. Lò sinh hơi thu hồi nhiệt (heat recovery steam generator - HRSG) là loại tuần hoàn tự nhiên, gia nhiệt lại, ba áp suất, năng suất 278 tấn hơi/giờ, thông số hơi là 110 bar, 550/560oC nhiệt độ khói thải là 90oC. Nhà máy đi vào vận hành thương mại hoàn toàn vào năm 2001.

Siemens tiếp tục sử dụng nhà máy để thử nghiệm hàng loạt các cải tiến kỹ thuật. Sau khi hoàn thành và thử nghiệm trực tuyến trong điều kiện vận hành thực tế trong thời gian trên 2 năm, từ năm 2002 đến năm 2004, các bộ phận hợp thành đã được cải tiến và các hệ thống mới hiện đang được lắp đặt ở dạng tiêu chuẩn cho tất cả các tuabin khí SGT5-4000F chế tạo mới.

Lắp đặt lần đầu tiên hệ thống HCO (tối ưu hóa khe hở bằng thủy lực) đã giúp nâng cao công suất và hiệu suất tổng đạt mức 58,5%. Khe hở hướng kính sít sao tại các phần máy nén khí và tuabin là yếu tố chính góp phần nâng cao hiệu suất, tuy nhiên trong mọi điều kiện vận hành đều phải duy trì khe hở hướng kính tối thiểu, tránh để phần quay va chạm với phần tĩnh. Theo quan điểm của Siemens, giải pháp chính là ở chỗ đạt được sự cân bằng cần thiết giữa đặc tính khi nóng lên và khi nguội đi của vỏ và các bộ phận hợp thành của rôto. Nói chung rôto phản ứng với nhiệt chậm hơn, nhưng có thể được làm nóng lên và nguội đi đủ nhanh nhờ các dòng không khí thứ cấp bên trong.

Vỏ tuabin của hãng Siemens có tuyến dòng hình côn nên thuận lợi cho việc áp dụng công nghệ điều khiển khe hở bằng cách phối hợp gia tăng hướng trục và hướng kính. Có thể dễ dàng chủ động điều khiển khe hở bằng cách dịch chuyển rôto ngược với hướng dòng khí, và do đó giảm được khe hở hướng kính bên trên đầu cánh tuabin.

Ngay cả máy có cân bằng nhiệt tốt như tuabin SGT5-4000F với khe hở rất sít sao, thì cũng phải có khoảng chừa lớn không cần thiết khi chạy ở phụ tải nền lúc máy đã nóng lên hoàn toàn bởi vì khe hở được thiết kế cho các điều kiện khởi động lại nóng là chế độ vận hành khó khăn nhất. Hơn nữa, khe hở cần phải đủ lớn để tính đến hiện tượng méo vỏ máy trong quá trình nâng nhiệt độ.

Hai hiệu ứng này, tức là khả năng khởi động lại nóng và méo vỏ máy, cho thấy có thể giảm khe hở tuabin sau khi máy đã nóng lên hoàn toàn. Hệ thống HCO sử dụng tiềm năng này bằng cách di chuyển rôto về phía máy nén không khí sau khi máy đã nóng lên hoàn toàn, nhờ đó giảm khe hở hướng kính được khoảng 1 mm. Có thể chứng minh rằng lợi ích về tăng hiệu suất tuabin (khoảng 0,35%) luôn lớn hơn tổn thất (khoảng 0,15%) do khe hở tăng lên ở phần máy nén khí.

Thiết kế hệ thống HCO chỉ cho phép giữ ở hai vị trí: đóng và mở, được đảm bảo nhờ các van chặn cơ khí trong các xilanh thủy lực. Không cần phải có mạch phản hồi, cơ cấu đo vị trí. Chỉ cần đặt áp lực dầu là rôto tự động dịch chuyển tới đúng vị trí. Bởi vì lực hướng trục của tuabin khí hướng về phía tuabin nên hệ thống này an toàn, không có sự cố. Trường hợp mất áp lực dầu, lực hướng trục tự nó sẽ đẩy rôto trở lại vị trí “an toàn”.