Giáo trình Nhiệt điện - Phần 1: Khái niệm về nhà máy đIện

ạng năng l−ợng thiên nhiên thành điện năng. Tuy nhiên sự hoàn thiện, 
mức độ hiện đại và giá thành điện năng của các loại nhà máy điện đó rất khác nhau, 
tùy thuộc vào thời gian đ−ợc nghiên cứu phát triển loại hình nhà máy điện đó. Đối vơi 
những n−ớc đang phát triển nh− Việt Nam, do nền công nghiệp còn chậm phát triển, 
tiềm năng về kinh tế còn yếu do đó xây dựng chủ yếu nhà máy nhiệt điện dùng Tuốc 
bin hơi hoặc dùng chu trình hỗn hợp, trong đó biến đổi năng l−ợng của nhiên liệu 
thành điện năng. 
1.2.1.1. Chu trình Carno hơi n−ớc 
 ở phần nhiệt động ta đã biết chu trình Carno thuận chiều là chu trình có hiệu 
suất nhiệt cao nhất khi có cùng nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh. Chu trình Carno 
lý t−ởng gồm 2 quá trình đoạn nhiệt và 2 quá trình đẳng nhiệt. Về mặt kĩ thuật, dùng 
 4 
 - Nhiệt độ tới hạn của n−ớc
thấp (374,15 0C) nên độ chênh nhiệt
độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh
của chu trình không lớn lắm, do đó
công của chu trình nhỏ. 
- Độ ẩm của hơi trong tuốc
bin cao, các giọt ẩm có kích th−ớc
lớn sẽ va đập vào cánh tuốc bin gây
tổn thất năng l−ợng và ăn mòn
nhanh cánh Tuốc bin. 
khí thực trong phạm vi bão hòa có thể thực hiện đ−ợc chu trình Carno và vẫn đạt đ−ợc 
hiệu suất nhiệt lớn nhất khi ở cùng phạm vi nhiệt độ. 
 Chu trình Carno áp dụng cho khí thực trong vùng hơi bão hòa đ−ợc biểu diễn 
trên hình 1.1. Tuy nhiên, đối với khí thực và hơi n−ớc thì việc thực hiện chu trình 
Carno rất khó khăn, vì những lý do sau đây: 
 - Quá trình hơi nhả nhiệt đẳng áp, ng−ng tụ thành n−ớc (quá trình 2-3) là quá 
trình ng−ng tụ thực hiện không hoàn toàn, hơi ở trang thái 3 vẫn là hơi bão hòa, có 
thể tích riêng rất lớn, do đó để thực hiện quá trình nén đoạn nhiệt hơi ẩm theo qúa 
trình 3-4, cần phải có máy nén kích th−ớc rất lớn và tiêu hao công rất lớn. 
 Hình 1.1 chu trình Carno hơi n−ớc 
1.2.1.2. Sơ đồ thiết bị và đồ thị chu trình nhà máy điện 
 Nh− chúng ta đã biết, tuy có hiệu suất nhiệt cao nh−ng chu trình Carno có một 
số nh−ợc điểm nh− đã nêu ở trên khi áp dụng cho khí thực, nên trong thực tế ng−ời ta 
không áp dụng chu trình Carno mà áp dụng một chu trình cải tiến gần với chu trình 
này gọi là chu trình Renkin. Chu trình Renkin là chu trình thuận chiều, biến nhiệt 
thành công. 
 Chu trình Renkin là chu trình nhiệt đ−ợc áp dụng trong tất cả các lọai nhà máy 
nhiệt điện, môi chất làm việc trong chu trình là n−ớc và hơi n−ớc. Tất cả các thiết bị 
của các nhà máy nhiệt điện đều giống nhau trừ thiết bị sinh hơi I. Trong thiết bị sinh 
hơi, n−ớc nhận nhiệt để biến thành hơi 
Đối với nhà máy nhiệt điện, thiết bị sinh hơi là lò hơi, trong đó n−ớc nhận nhiệt 
từ quá trình đốt cháy nhiên liệu. Đối với nhà máy điện mặt trời hoặc địa nhiệt, n−ớc 
nhận nhiệt từ năng l−ợng mặt trời hoặc từ nhiệt năng trong lòng đất. Đối với nhà máy 
điện nguyên tử, thiết bị sinh hơi là thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó n−ớc nhận nhiệt từ 
chất tải nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân ra. 
Sơ đồ thiết bị của chu trình nhà máy nhiệt điện đ−ợc trình bày trên hình 1.2, 
gồm hai thiết bị chính để biến đổi năng l−ợng là lò hơi và tuốc bin cùng một số thiết 
bị phụ khác. Đồ thị T-s của chu trình đ−ợc biểu diễn trên hình 1.2. 
N−ớc ng−ng trong bình ng−ng IV (ở trạng thái 2’ trên đồ thị) có thông số p2, t2,, 
i2, đ−ợc bơm V bơm vào thiết bị sinh hơi I, áp suất tăng từ p2 đến áp suất p1 (quá trình 
2’-3). Trong thiết bị sinh hơi, n−ớc trong các ống sinh hơi nhận nhiệt tỏa ra từ quá 
trình cháy, nhiệt độ tăng lên đến sôi (quá trình 3-4), hoá hơi (quá trình 4-5) và thành 
hơi quá nhiệt trong bộ quá nhiệt II (quá trình 5-1). Quá trình 3-4-5-1 là quá trình hóa 
hơi đẳng áp ở áp suất p1 = const. Hơi ra khỏi bộ quá nhiệt II (ở trạng thái 1) có thông 
số p1, t1 đi vào tuốc bin III, ở đây hơi dãn nở đoạn nhiệt đến trạng thái 2, biến nhiệt 
 5
năng thành cơ năng (quá trình 1-2) và sinh công trong tuốc bin. Hơi ra khỏi tuốc bin 
có thông số p2, t2, đi vào bình ng−ng IV, ng−ng tụ thành n−ớc (quá trình 2-2’), rồi lại 
đ−ợc bơm V bơm trở về lò. Quá trình nén đoạn nhiệt trong bơm có thể xem là quá 
trình nén đẳng tích vì n−ớc không chịu nén (thể tích ít thay đổi). 
Hình 1.2. Sơ đồ thiết bị nhà máy điện Hình 1.3. Đồ thị T-s của chu trình 
 NMNĐ 
1.2.1.3. Hiệu suất nhiệt lý t−ởng của chu trình Renkin 
 Nhiệt l−ợng môi chất nhận đ−ợc trong quá trình đẳng áp 3-1 ở lò hơi là: 
 311 iiq −= 
 Nhiệt l−ợng môi chất nhả ra cho n−ớc làm mát trong quá trình đẳng áp 2-2’ ở 
bình ng−ng là: 
 222 ′−= iiq 
 Hiệu suất nhiệt của chu trình ηt đ−ợc tính theo công thức: 
11
21
ct q
l
q
qq =−=η (1-1) 
 Thông th−ờng, ở áp suất không cao lắm, công tiêu tốn cho bơm n−ớc cấp rất bé 
so với công Tuốc bin sinh ra nên ta có thể bỏ qua công bơm, nghĩa là coi i2’ ≈ i3. Khi 
đó công của chu trình sẽ bằng: 
 21223121 iiiiiiqql −≈+−−=−= ′ (1-2) 
Hiệu suất nhiệt chu trình sẽ bằng: 
31
21
1
ct ii
ii
q
l
−
−==η (1-3) 
1.2.2. Nhà máy điện dùng chu trình hỗn hợp Tuốc bin khí - hơi 
 Chu trình hỗn hợp là một chu trình ghép, gồm chu trình Renkin hơi n−ớc và 
chu trình Tuốc bin khí. Sơ đồ thiết bị và đồ thị T-s của chu trình đ−ợc thể hiện trên 
hình 1.4. Hệ thống thiết bị bao gồm: thiết bị sinh hơi 1 (buồng đốt); tuốc bin hơi n−ớc 
2; bình ng−ng hơi 3; bơm n−ớc cấp 4; bộ hâm n−ớc 5; tuốc bin khí 6; máy nén không 
khí 7. 
s 
2 
T
0 
3
2’
4
5 1 
P1
P2 
 6 
 Nguyên lí làm việc của chu trình thiết bị nh− sau: Không khí đ−ợc nén đoạn 
nhiệt trong máy nén 7 đến áp suất và nhiệt độ cao, đ−ợc đ−a vào buồng đốt 1 cùng 
với nhiên liệu và cháy trong buồng đốt d−ới áp suất cao, không đổi. Sau khi nhả một 
phần nhiệt cho n−ớc trong dàn ống của buồng đốt 1, sản phẩm cháy đi vào tuốc bin 
khí 6, dãn nở sinh công. Ra khỏi tuốc bin khí, sản phẩm cháy có nhiệt độ còn cao, 
tiếp tục đi qua bộ hâm n−ớc 5, gia nhiệt cho n−ớc rồi thải ra ngoài. 
 N−ớc đ−ợc bơm 4 bơm qua bộ hâm n−ớc 5, vào dàn ống của buồng đốt 1. ở đây 
n−ớc nhận nhiệt và biến thành hơi quá nhiệt. Hơi quá nhiệt đi vào tuốc bin hơi 2, dãn 
nở đoạn nhiệt và sinh công. Ra khỏi tuốc bin, hơi đi vào bình ng−ng 3 nhả nhiệt đẳng 
áp, ng−ng tụ thành n−ớc rồi đ−ợc bơm 4 bơm trở về lò, lặp lại chu trình cũ. 
 Hình 1.3. Sơ đồ thiết bị và đồ thị T-s của chu trình hỗn hợp 
 Đồ thị T-s của chu trình nhiệt đ−ợc biểu diễn trên hình 1.4. Nhiệt l−ợng do 
nhiên liệu cháy tỏa ra trong quá trình be chia thành hai phần: một phần dùng để sản 
xuất hơi n−ớc trong thiết bị sinh hơi 1, một phần cấp cho tuốc bin khí 6. 
 - a-b: quá trình nén đoạn nhiệt không khí trong máy nén khí 7; 
 - b-c: quá trình cấp nhiệt (cháy) đẳng áp trong buồng đốt 1; 
- c-d: quá trình dãn nở đoạn nhiệt sinh công trong tuốc bin khí 6; 
- d-a: quá trình nhả nhiệt đẳng áp trong bộ hâm n−ớc 5; 
- 3-4-5-1: quá trình n−ớc nhận nhiệt đẳng áp trong bộ hâm 5 và buồng đốt 1; 
 - 1-2; 2-2’; 2’-3 là các quá trình dãn nở đoạn nhiệt trong tuốc bin, ng−ng đẳng áp 
trong bình ng−ng, nén đoạn nhiệt trong bơm nh− ở chu trình Renkin. 
Hiệu suất chu trình là: 
 ηct = 
1q
l
 (1-4) 
Trong đó: 
l: Công của tuốc bin hơi và tuốc bin khí, l = lh + lk 
 q1: nhiệt l−ợng nhiên liệu tỏa ra khi cháy trong buồng đốt 1. 
1.3 các loại phụ tải nhiệt và điện 
 Hiện nay, các nhà máy điện có thể đ−ợc xây dựng để đảm bảo yêu cầu của các 
hộ dùng điện hoặc vừa đảm bảo nhu cầu điện vừa đảm bảo nhu cầu về nhiệt của các 
 7
hộ tiêu thụ nh− ở các khu dân c− thuộc các n−ớc xứ lạnh hoặc các khu công nghiệp 
lớn nh− khu công nghiệp giấy Bãi Bằng; khu công nghiệp Việt Trì; các nhà máy 
đ−ờng; các khu chế xuất . . v.v. 
1.3.1. Phụ tải điện 
 Phụ tải điện của nhà máy hay của hệ thống điện bao gồm: 
 - Phụ tải công nghiệp: điện cung cấp cho các nhà máy, các khu công nghiệp; 
- Phụ tải nông nghiệp: điện cung cấp cho các hệ thống trạm bơm; 
- Phụ tải Giao thông: điện cung cấp cho các thiết bị giao thông vận tải nh− tàu 
điện; ôtô điện; tàu điện ngầm; tàu hỏa. . . 
- Phụ tải sinh hoạt: điện cung cấp trực tiếp cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày của 
con ng−ời nh− thắp sáng, đun nấu, vui chơi giải trí. 
1.3.2. Phụ tải nhiệt 
 Trong các khu công nghiệp và các thành phố lớn, nhu cầu nhiệt cho các quá 
trình công nghệ nh− đun sôi, ch−ng cất, sấy, của các nhà máy (nh− hóa chất; chế biến 
thực phẩm; thuốc lá; r−ợu; bia . . .v. v) hoặc s−ởi ấm ở các n−ớc xứ lạnh là rất lớn. 
Cung cấp năng l−ợng nhiệt cho các hộ tiêu thụ này hợp lý nhất là sử dụng phần năng 
l−ợng nhiệt còn lại trong quá trình sản xuất điện năng. 
 Nhà máy điện vừa cung cấp nhiệt, vừa cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ gọi là 
trung tâm nhiệt điện. 
 Nhiệt l−ợng cung cấp từ trung tâm nhiệt điện có thể là hơi hoặc n−ớc nóng. 
Theo yêu cầu của các hộ dùng nhiệt, có thể phân thành các loại hộ dùng nhiệt nh− 
sau: 
 Phụ tải công nghiệp: Nhiệt năng cung cấp cho các quá trình công nghệ trong 
các nhà máy, th−ờng là hơi có áp suất từ 3,5at đến 16 at (0,35 đến 1,6 Mpa) với độ 
quá nhiệt từ 25 đến 50 0C nhằm đảm bảo cho hơi ch−a bị ng−ng tụ thành n−ớc tr−ớc 
khi đến hộ tiêu thụ . 
 Phụ tải sinh hoạt: Nhiệt năng cung cấp cho các quá trình sấy s−ởi trong khu dân 
c−, th−ờng là n−ớc nóng có nhiệt độ từ 55 đến 150 0C hoặc hơi có áp suất từ 1,5at đến 
3 at (0,15 đến 0,3 Mpa). 
 Phụ tải điện và phụ tải nhiệt thay đổi theo giờ trong ngày, theo tháng và theo 
mùa phụ thuộc vào chế độ làm việc của các nhà máy và sinh hoạt ở các khu dân c−. 
Sự phụ thuộc của phụ tải vào thời gian đ−ợc biểu thị trên đồ thị gọi là đồ thị phụ tải. 
 Trên đồ thị phụ tải, phần phía d−ới gọi là phụ tải gốc, có giá trị ổn định, còn 
phần đỉnh gọi là phụ tải ngọn, có giá trị thay đổi liên tục. 
 Các nhà máy điện lớn, hiện đại, có hiệu suất cao đ−ợc gọi là nhà máy điện 
chính, th−ờng mang phụ tải gốc, chạy th−ờng xuyên, số giờ sử dụng thiết bị hàng 
năm cao. 
 Các nhà máy điện nhỏ, cũ, có hiệu suất thấp hoặc là nhà máy điện tuốc bin khí, 
nhà máy thủy điện trong thời kỳ cạn n−ớc đ−ợc gọi là nhà máy điện cao điểm, th−ờng 
mang phụ tải ngọn (phụ tải thay đổi th−ờng xuyên). 
 8