Phương hướng nâng cao công suất và
hi
ệu suất của thiết bị tua bin khí chu
trình hỗn hợp
Sau nửa thế kỷ phát triển mạnh mẽ, tuabin khí đã đạt tới đỉnh cao hoàn
thi
ện: hiệu suất của thiết bị tuabin khí (TTK) chu trình đơn đã tăng trên hai
lần và đạt tới gần 40%, còn công suất đơn vị tổ máy lên tới 300 MW. Đó là
nh
ờ nâng cao hiệu suất của cả các bộ phận hợp thành (máy nén, buồng đốt,
tuabin) cũng như nhờ tăng nhiệt độ khí trước tuabin T
G
.
Nh
ờ sử dụng các vật liệu bền nhiệt hiện đại, hệ thống làm mát các bộ phận
nóng nhất, kể cả các vỏ bọc rào nhiệt, nhiệt độ khí đã tăng thêm được
khoảng 800 K và đạt trị số 1.770 K. Công suất đơn vị của tuabin khí với hệ
số nén 
c
= 18 ÷ 21 và lưu lượng không khí đầu vào máy nén 730 ÷ 740
kg/s, là kho
ảng 340 MW, khi đó hiệu suất của tuabin khí bằng 38 ÷ 39%.
Hiệu suất của thiết bị tuabin khí chu trình hỗn hợp* (TBKHH) đạt gần 60%
và công suất của hệ thống thiết bị, tùy theo cấu hình, đã đạt tới 980 MW.Đối
với những tuabin khí có tiềm năng lớn, nếu tăng nhiệt độ lên cao hơn sẽ dẫn
t
ới tăng tiêu hao năng lượng cho hệ thống làm mát, điều đó dẫn đến làm
gi
ảm hiệu quả tương đối từ sự tăng nhiệt độ.
Hình 1 trình bày động thái thay đổi hiệu suất và công suất riêng của TTK
trong giai đoạn 1991

khí qua máy nén là 737 kg/s có hiệu suất 39,5% và công suất 334 MW, còn
công su
ất của TBKHH được tổ hợp trên cơ sở TTK đó là 489 MW với hiệu
suất 58,7%.
Thí dụ về việc thực hiện TTK theo chu trình V. V. Uvarov với số lượng hợp
thể ít hơn là việc chế tạo TTK GT-100-750 năm 1970 (một lần làm mát
trung gian và m
ột quá trình cháy trung gian). Đó là thành tựu đáng kể của
ngành chế tạo TTK ở Nga. Sau đó ở Nhật, khi nghiên cứu triển khai TTK
kiểu AGTJ-100A theo chương trình "Ánh sáng trăng" thực tế đã tái tạo lại sơ
đồ nhiệt động của GT
-100-750. Khi đó, giải thích về giải pháp của họ, các
chuyên gia Nhật đã nêu lý do là với việc giới hạn nhiệt độ khí trước tuabin
thì con đường duy nhất để tăng công suất đơn vị và hiệu suất TTK là chuyển
sang chu trình nhiệt động mở rộng. Thiết bị AGTJ - 100A đã được sử dụng
để vận h
ành trong TBKHH (chu trình nhị nguyên). Với nhiệt độ của sản
phẩm cháy sau buồng đốt chính là 1.573 K và của buồng đốt trung gian là
1.444 K thì hi
ệu suất sẽ là 38%, còn công suất khi lưu lượng không khí ở
đầu hút v
ào máy nén là 220 kg/s sẽ là 100 MW.
Thí d
ụ về TTK chu kỳ nhiệt động mở rộng, mới xuất hiện trên thị trường là
TTK GT-26 c
ủa hãng Alstom trong đó có một tầng nén, hai tầng dãn và
bu
ồng đốt trung gian nằm giữa hai tầng này. Với mức tăng áp (còn gọi là tỷ
số nén) là 30 thì chu trình nhiệt động mở rộng nói trên đã cho phép đạt được
công suất riêng 443 kWs/kg giống như ở TTK MPCP1 - 701G2 của hãng

ãn tương ứng) trong thiết bị, còn tổn thất nhiệt động của
áp suất theo tuyến của TTK (trong các ống của máy nén và tuabin, trong
thi
ết bị trao đổi nhiệt, buồng đốt) được đưa vào các máy nén và tuabin tương
ứng và được tính bằng cách đưa vào các hiệu suất
quy ước (
Q
):
Trong đó:
I
= 1 - ( )
i
; (D )
i
- tổng các tổn thất tương đối về áp suất trong
các phần tử của TTK, chỉ số i ký hiệu hoặc cho máy nén (K), hoặc tuabin
(T); 
PK
,
PT
- hiệu suất politropic của tầng máy nén và của tầng tuabin; K -
ch
ỉ số của đường đoạn nhiệt.
Phân tích các chu trình chỉ ra rằng đối với TTK chu trình hở nhiệt động mở
rộng thì việc đưa mức tăng áp suất dưới 3 đối với các tầng nén và mức dãn
dưới 4 đối với các tầng dãn nở chưa chắc
có lợi, bởi vì khi đó, tổn thất ở các ống đầu vào và đầu ra, các buồng đốt
trung gian và các thiết bị trao đổi nhiệt tương ứng với công tương đối nhỏ
hơn của hệ thống cánh tuabin. Điều đó dẫn tới giảm các trị số hiệu suất quy
ước của tuabin và máy nén, điều đó thể hiện rõ trên các hình 3 và 4. Giảm 

5
), còn chu trình 4 (2) nhận được hiệu entanpi
đó. Việc cắt đôi chu tr
ình 3 (hoặc các chu trình tương tự) như vậy, được gọi
là chuẩn nhị nguyên, cho phép duy trì được cấu hình của chu trình ban đầu,
giảm mạnh áp suất cực đại trong chu trình 4 (1) so với chu trình 3 ban đầu.
Về mặt hình thức có thể xác định hiệu suất và công suất riêng của các chu
trình 4 (1) và 4 (2) riêng rẽ, có xét đến rằng trong chu trình 4 (2) diễn ra sự
tận dụng triệt để nhiệt năng toả ra từ chu trình 4 (1) trên đoạn đẳng áp 5 - 12.
Ti
ếp sau đó, có thể tìm hiệu suất tổng (bình quân gia quyền) của hai chu
trình. Rõ ràng rằng trong trường hợp đó tổng công suất riêng và hiệu suất
tổng hóa ra là bằng công suất riêng và hiệu suất của chu trình 3 ban đầu. Tuy
nhiên để thực hiện trong thực tế TTK chuẩn nhị nguy
ên cần phải sử dụng hai
TTK chu trình hở (xem hình 2e), TTK thứ nhất vận hành theo chu trình 4 (1)
và TTK th
ứ hai theo chu trình 4 (2). Trong trường hợp đó, để chuyển hiệu
của các entanpi (h
12
- h
5
) cần phải sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt - tương tự
thiết bị hoàn nhiệt, chỉ với một khác biệt là nhiệt năng được tận dụng của
khói thoát từ TTK chu trình 4 (1) đi vào sấy không khí trước buồng đốt của
TTK chu trình 4 (2). Để tạo ra các điều kiện chuyển nhiệt năng cần phải đảm
bảo áp lực nhiệt độ giữa môi trường gia nhiệt [trong chu trình 4 (1)] và môi
trường được gia nhiệt [trong chu trình 4 (2)], trong đó đi kèm theo quá trình
trao đổi nhiệt trong thiết bị tương ứng là các tổn thất áp lực trong cả hai chu
trình.

đơn Brighton. Trong các ứng dụng này, nhiệt độ khí trước tuabin đạt tới
1.700 - 1.780 K và lưu lượng không khí hút vào máy nén tăng lên tới 740
kg/s. Điều đó cho phép nâng hiệu suất TTK năng lượng đạt mức 39,5%, v
à
công su
ất đơn vị tới 335 MW, công suất của thiết bị nhị nguyên trên cơ sở
một TTK đạt 450 - 490 MW, với hiệu suất gần 60%.
2. Ngày nay những thông số của TTK chu trình đơn (nhiệt độ khí trước
tuabin và lưu lượng không khí qua máy nén) đ
ã tiến gần các trị số giới hạn
đối với các TTK đặt cố định, tuổi thọ d
ài. Khó có thể tăng hơn nữa đáng kể
các thông số đó. Ngoài ra, mỗi độ nâng thêm nhiệt độ khí trước tuabin dẫn
tới giảm nhịp độ gia tăng hiệu suất và công suất riêng. Trong khi đó, tăng
nhiệt độ khiến cho việc giải quyết các vấn đề sinh thái trở nên phức tạp hơn.
3. Ở mức hiện đại của nhiệt độ khí trước tuabin và lưu lượng không khí hút
vào máy nén, việc chuyển sang các TTK chu trình mở rộng về nhiệt động
học mở ra con đường cho việc tiếp tục tăng lên một cách cơ bản tính kinh tế
và công suất của các TTK đặt cố định, và kể cả các thiết bị tổ hợp được tạo
ra trên cơ sở các TTK. Việc chuyển sang các thiết bị đó sẽ tạo điều kiện
nâng cao tính kinh tế của TTK tới 58% và công suất đơn vị tới 1.000 MW.
Tương ứng điều đó sẽ cho phép nâng hiệu suất của thiết
bị nhị nguyên tổ
hợp tới 70% với công suất gần 1.200 MW.
4. TTK chu trình nhiệt động mở rộng có đặc điểm là trị số tổng mức tăng áp
suất cao và tương ứng áp suất cực đại trong chu trình cũng cao. Việc chuyển
sang TTK chuẩn nhị nguyên cho phép:
- gi
ảm trị số áp suất cực đại trong chu trình 4 (1) khoảng lần - loại trừ sự
giảm tính kinh tế của các hệ thống cánh tuabin liên quan tới áp suất cao.