GIÁO TRÌNH HỌC THUẬT: TUABIN HƠI VÀ HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHỤ

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Tuabin hơi và hệ thống thiết bị phụ (Mã môn học: ELEO54059) được biên soạn bởi tập thể tác giả Lê Thị Thu Hường, Ninh Trọng Tuấn và Nguyễn Xuân Thịnh, ban hành theo Quyết định số 213/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam, lưu hành nội bộ tại Bà Rịa – Vũng Tàu).

Trong cấu trúc chương trình đào tạo nghề Vận hành nhà máy nhiệt điện, môn học nằm trong danh mục các môn học/mô đun chuyên môn nghề bắt buộc (Nhóm II.2), có thời lượng 04 tín chỉ tương đương 75 giờ đào tạo (bao gồm 42 giờ lý thuyết; 29 giờ thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập và 4 giờ kiểm tra).

Mục tiêu học tập của giáo trình hướng tới việc trang bị cho người học:

  • Khả năng trình bày cấu tạo, phân loại và nguyên lý làm việc của các loại tuabin hơi nước;
  • Mô tả chi tiết cấu tạo cơ học của cụm Rôto và Stator;
  • Giải thích phương pháp điều khiển, vận hành và cấu trúc hệ thống bảo vệ tuabin;
  • Phân tích cấu tạo cùng nguyên lý hoạt động của các hệ thống thiết bị phụ trợ trong chu trình nhiệt;
  • Xây dựng tác phong làm việc kỹ thuật: ngăn nắp, cẩn trọng, tỉ mỉ, chính xác và có năng lực tự chủ trong môi trường công nghiệp năng lượng.

Giáo trình được tiếp cận theo phương pháp kỹ thuật hệ thống, chia làm 3 chương từ nền tảng nhiệt động lực học, nguyên lý tuabin đến chi tiết thiết bị phụ. Điểm đặc thù của tài liệu là gắn kết lý thuyết chu trình nhiệt với các thông số vận hành thực tế của các tổ máy nhiệt điện công suất 300 MW (như Phả Lại II, Hải Phòng I) và các dòng tuabin công nghiệp phổ biến.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Cấu trúc giáo trình bao gồm 3 chương với logic phát triển từ lý thuyết nhiệt động cơ sở đến cấu tạo chi tiết và các hệ thống phụ trợ:

  • Chương 1: Tổng quan về Tua-bin hơi (10 giờ: 6 LT, 4 TH/Thảo luận, 1 Kiểm tra): Trình bày tổng quan lịch sử phát triển chế tạo tuabin từ các thế hệ tuabin của Liên Xô (như LMZ, KhTGZ, NZL, UTMZ, KTZ với dải công suất từ 200 kW đến 1200 MW) cho đến các hãng thiết bị công nghiệp hiện đại (Toshiba, Mitsubishi, GE, SIEMENS, Babcock & Wilcox). Trình bày sơ đồ công nghệ nhà máy nhiệt điện ngưng hơi đơn giản gồm 4 thiết bị chính: lò hơi, tuabin, bình ngưng và bơm cấp. Phân tích nguyên lý biến đổi năng lượng của tuabin xung lực (quá trình giãn nở chỉ diễn ra trong ống phun) và tuabin phản lực (quá trình giãn nở diễn ra đồng thời trong cả ống phun và rãnh cánh động). Thiết lập đồ thị nhiệt động $i-s$ cho chu trình Rankine lý tưởng, chu trình Rankine thực tế và chu trình hồi nhiệt có quá nhiệt trung gian (tái nhiệt) dựa trên sơ đồ tổ máy 300 MW Phả Lại II với thông số hơi mới $p_0 = 169\text{ kG/cm}^2$, $t_0 = 538^\circ\text{C}$.

  • Chương 2: Tua-bin hơi nước (20 giờ: 12 LT, 7 TH/Bài tập, 1 Kiểm tra): Phân loại tuabin theo 8 tiêu chí kỹ thuật: quá trình nhiệt, số tầng cánh, hướng dòng hơi (dọc trục, hướng kính, radian), số thân máy (1 đến 4 thân), phương pháp phân phối hơi (ống phun, tiết lưu, van quá tải, kết hợp), tác dụng dòng hơi, thông số hơi vào (thấp áp 1,2–2 bar đến trên tới hạn 235,5 bar, $560^\circ\text{C}$) và mục đích sử dụng. Mô tả cấu tạo các cụm cơ khí: Rôto (trục rèn đặc, đĩa cân bằng, gối đỡ chắn, gối đỡ sau); Thân/xilanh (gang đúc $\le 250^\circ\text{C}$, gang pectit $\le 350^\circ\text{C}$, thép cacbon $400-425^\circ\text{C}$, thép hợp kim Austenit pha Cr, Ni, Mo, V, W; kết cấu thân kép cho nhiệt độ $>550^\circ\text{C}$; hệ thống điểm chết định vị giãn nở nhiệt 10–15 mm); Cánh tuabin (cánh động mộng chữ T, cánh xoắn hạ áp mộng cây thông ngược có tôi cứng mép 25 mm chống xói mòn hạt ẩm, cánh tĩnh có rãnh tách ẩm); Vỏ (cao áp dạng thùng, trung áp vỏ kép 2 nửa ngang, hạ áp kết cấu 3 vỏ); Gối trục (ổ trượt lót ba-bít); Bộ quay trục (vật liệu 42CrMo4, tốc độ 50–100 v/p); Bộ chèn trục. Xác lập bảng thông số vận hành định mức tổ máy 300 MW và cấu trúc bảo vệ 4 cấp gồm van điện từ OPC ($\ge 3300\text{ v/p}$), AST, chốt văng cơ học ly tâm ($3330-3360\text{ v/p}$) và nút dừng sự cố bằng tay.

  • Chương 3: Thiết bị phụ tua-bin hơi (45 giờ: 24 LT, 19 TH/Bài tập, 2 Kiểm tra): Khảo sát cấu tạo và nguyên lý của toàn bộ hệ thống phụ trợ: Thiết bị ngưng tụ (bình ngưng 1 và 2 chặng đường nước, làm mát nước sông tuần hoàn hở); Thiết bị hút chân không (Ejector hơi 2 cấp, ejector nước KhTGZ); Thiết bị khử khí kiểu nhiệt (bình nằm ngang và bình đặt đứng); Bình gia nhiệt hồi nhiệt (bình hạ áp có mặt sàng, bình cao áp kiểu ПB, cấu trúc 3 khoang và hệ thống van tự động bảo vệ điện - thủy lực); Hệ thống bơm nước ngưng, bơm cấp, bơm tuần hoàn làm mát; Bộ quay trục tuabin K-100-90 LMZ kết hợp phân tích độ cong vì nhiệt của rôto khi nguội dần; Bể chứa dầu, bình bù áp suất khí Nitơ, bình làm mát dầu dạng tấm diện tích $148\text{ m}^2$, van tiết lưu và hệ thống quạt hút hơi dầu.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  1. Lý thuyết nhiệt động lực học hơi nước: Nguyên lý chu trình Rankine, ý nghĩa của việc gia nhiệt hồi nhiệt nước cấp giúp giảm tổn thất nhiệt thải tại bình ngưng từ 65% xuống 45%, nâng cao hiệu suất nhiệt động chu trình từ 0,30 lên 0,50.
  2. Động học dòng môi chất: Quy luật biến đổi áp suất ($P$), tốc độ ($V$) và entanpi ($i$) của dòng hơi khi đi qua ống phun và dãy cánh làm việc xung lực/phản lực.
  3. Cơ học ứng suất và giãn nở nhiệt: Hiện tượng biến dạng nhiệt của thân và trục tuabin, cơ chế định vị bằng điểm chết và gờ trượt, giải pháp chống mài mòn cánh hạ áp do va đập hạt ẩm.
  4. Hệ thống điều tốc và thủy lực tự động: Cơ chế tác động của áp suất dầu bảo vệ (định mức $1,96\text{ MPa}$, ngưỡng đóng van $< 1,5\text{ MPa}$), liên động giữa hệ thống điều khiển số DEH và các van chấp hành cơ khí.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Đọc hiểu bản vẽ mặt cắt cơ khí tuabin, sơ đồ nhiệt nguyên lý, sơ đồ khối thủy lực điều khiển van Stop và van điều chỉnh; tính toán các thông số nhiệt giáng tầng cánh.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Đánh giá các thông số vận hành (áp suất hơi mới, nhiệt độ tái nhiệt, độ chân không bình ngưng, độ lệch tâm, độ đảo trục, độ rung ổ trục) để phát hiện sai lệch trạng thái hoạt động.
  • Kỹ năng thực hành vận hành (Practical competencies): Thực hiện quy trình kiểm tra thử nghiệm độc lập chốt văng an toàn số 1 và số 2 trên hộp thử nghiệm bảo vệ; quy trình điều khiển van khởi động (Starting Valve 1MAX10 AE003) qua cảm biến vị trí LVDT; thao tác xử lý dừng sự cố khẩn cấp.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình quy định cụ thể phương pháp sư phạm và hình thức tổ chức đào tạo theo định hướng tích cực hóa người học:

Tiếp cận sư phạm (Pedagogical approach)

  • Người dạy: Áp dụng kết hợp phương pháp diễn giảng chuyên sâu, vấn đáp kỹ thuật và dạy học giải quyết vấn đề (problem-based learning). Giáo viên thiết kế giáo án theo từng bài/buổi dạy, tổ chức giảng dạy tập trung theo lớp kết hợp hệ thống phiếu học tập định hướng.
  • Người học: Chủ động nghiên cứu bài học trong giáo trình trước khi đến lớp, thực hiện câu hỏi củng cố lý thuyết và tham gia thảo luận tình huống theo hình thức làm việc nhóm hoặc làm việc độc lập.

Bài tập và điều kiện thực hành

  • Chương trình bố trí 29 giờ dành riêng cho thực hành, giải bài tập kỹ thuật và thảo luận chuyên đề.
  • Nội dung bài tập tập trung vào: tính toán chu trình nhiệt động trên đồ thị $i-s$, phân tích sơ đồ công nghệ tổ máy 300 MW, khảo sát đặc tuyến bơm ly tâm/bơm bánh răng, và phân tích sơ đồ phân phối dầu điều khiển bảo vệ tuabin.
  • Điều kiện cơ sở vật chất phục vụ giảng dạy bao gồm phòng học lý thuyết tiêu chuẩn, máy tính, máy chiếu, hệ thống tranh vẽ cấu tạo chi tiết (bình ngưng, ejector, van điều khiển, chốt văng), phiếu học tập và các video mô phỏng động lực học thiết bị.

Phương pháp kiểm tra và đánh giá

Hệ thống đánh giá kết quả học tập gồm 3 thành phần định lượng:

  1. Kiểm tra thường xuyên (02 bài): Thực hiện dưới hình thức vấn đáp trên lớp, kiểm tra viết thời gian $\le 30$ phút, chấm điểm bài tập tình huống hoặc đánh giá kỹ năng thực hành.
  2. Kiểm tra định kỳ (04 bài): Thời gian làm bài từ 45 đến 60 phút cho mỗi bài:
    • Bài kiểm tra số 1 (Lý thuyết): Đánh giá kiến thức Chương 1 (Chu trình nhiệt động và nguyên lý tuabin);
    • Bài kiểm tra số 2 (Lý thuyết): Đánh giá kiến thức Chương 2 (Cấu tạo tuabin và hệ thống bảo vệ);
    • Bài kiểm tra số 3 (Lý thuyết): Đánh giá kiến thức Chương 3 (Hệ thống thiết bị phụ);
    • Bài kiểm tra số 4 (Thực hành/Bài tập): Đánh giá kỹ năng tính toán, xử lý sơ đồ Chương 3.
  3. Thi kết thúc môn học: Thi lý thuyết tự luận tổng hợp thời gian từ 45 đến 60 phút.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Tích hợp dữ liệu công nghệ thực tế tại Việt Nam: Giáo trình không dừng lại ở mô hình lý thuyết thuần túy mà trực tiếp phân tích sơ đồ nhiệt nguyên lý của tổ máy 300 MW Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại II, kết cấu thân và cánh tuabin của Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng I. Các thông số về áp lực hơi chính ($169\text{ kg/cm}^2$), nhiệt độ quá nhiệt ($538^\circ\text{C}$), áp lực hơi tái nhiệt ($43-46\text{ kg/cm}^2$) được trích xuất từ quy trình vận hành công nghiệp.
  • Chuẩn hóa hệ thống an toàn đa cấp: Giáo trình cập nhật chi tiết cấu trúc phối hợp giữa hệ thống điều khiển điện tử số DEH, cụm van điện từ bảo vệ vượt tốc OPC, cụm van dừng khẩn cấp AST, bộ rơle giám sát TGR/EHG và cơ cấu bảo vệ cơ học độc lập bằng chốt văng ly tâm/vòng khuyên an toàn.
  • Hệ thống hóa thiết bị phụ trợ đồng bộ: Mô tả chuyên sâu các cụm thiết bị cơ khí quan trọng như bình khử khí nhiệt (đứng và ngang), thiết bị tạo chân không Ejector hơi 2 cấp, ejector nước KhTGZ, bộ quay trục bằng vật liệu hợp kim 42CrMo4 và hệ thống cấp dầu nâng trục JOP áp lực cao ($147\text{ barG}$).
  • Tài liệu tham khảo chuyên ngành chọn lọc: Nội dung được kế thừa và chuẩn hóa từ các giáo trình nền tảng của Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật: Tuabin hơi nước – lý thuyết và cấu tạo (2005) và Thiết bị lò hơi (Nguyễn Sỹ Mão, 2006).

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên/Học sinh đào tạo chính quy: Học sinh, sinh viên theo học nghề Vận hành nhà máy nhiệt điện ở trình độ Cao đẳng và Trung cấp nghề tại Trường Cao đẳng Dầu khí cũng như các cơ sở giáo dục nghề nghiệp chuyên ngành kỹ thuật năng lượng.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các môn học/mô đun cơ sở và chuyên môn trước đó trong chương trình khung:
    • An toàn điện (Mã: ELET5201)
    • Điện kỹ thuật cơ bản (Mã: ELEO53012)
    • Nhiệt kỹ thuật (Mã: PETR612002)
    • Đo lường điện (Mã: ELEI53115)
    • Tổng quan về nhà máy nhiệt điện (Mã: ELEO52056)
    • Lò hơi và hệ thống thiết bị phụ (Mã: ELEO54031)
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu quy chuẩn để thiết kế giáo án lý thuyết, biên soạn phiếu bài tập thực hành, xây dựng ma trận đề kiểm tra định kỳ và đề thi kết thúc môn học.
  • Cán bộ kỹ thuật và tự học: Dùng làm tài liệu tham khảo kỹ thuật cho kỹ sư, trưởng ca, công nhân vận hành tuabin máy phát tại các nhà máy nhiệt điện đốt than, nhà máy tuabin khí - hơi chu trình hỗn hợp và các phân xưởng năng lượng tự dùng trong ngành dầu khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu được biên soạn phục vụ trực tiếp cho người học hệ Cao đẳng và Trung cấp nghề Vận hành nhà máy nhiệt điện; đồng thời là tài liệu tra cứu kỹ thuật cho nhân sự vận hành hệ thống nhiệt - điện công nghiệp.

2. Cần kiến thức nền nào để học môn này?

Người học bắt buộc phải có kiến thức nền tảng về Nhiệt kỹ thuật (chu trình nhiệt động, trao đổi nhiệt), Điện kỹ thuật cơ bản, Đo lường điện và nguyên lý hoạt động của Lò hơi và hệ thống thiết bị phụ.

3. Điểm khác biệt của giáo trình so với các tài liệu lý thuyết chung?

Giáo trình tập trung vào thực tế vận hành với các thông số định mức chính xác của tổ máy nhiệt điện 300 MW (Hải Phòng I, Phả Lại II); phân tích cấu trúc thủy lực - cơ khí cụ thể của hệ thống van Stop, van điều chỉnh, van phân phối OPC, AST và các bước điều chỉnh độ cứng lò xo chốt văng an toàn.

4. Làm sao để tự học và nắm vững kiến thức trong giáo trình hiệu quả?

Người học cần kết hợp đọc nội dung lý thuyết với việc phân tích đồ thị nhiệt động $i-s$, đối chiếu bản vẽ mặt cắt cấu tạo xilanh, sơ đồ nguyên lý các bình gia nhiệt và tự trả lời hệ thống câu hỏi củng cố ở cuối mỗi chương.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo giáo trình?

Kèm theo giáo trình có hệ thống giáo án bài giảng của giảng viên, phiếu học tập cá nhân/nhóm, video mô phỏng nguyên lý hoạt động tuabin và các tài liệu tham khảo nền tảng của NXB Khoa học và Kỹ thuật (2005, 2006).

Kết luận

Giáo trình Tuabin hơi và hệ thống thiết bị phụ cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện, chuẩn xác về nguyên lý nhiệt động, cấu tạo cơ khí chi tiết và phương thức vận hành - bảo vệ tổ máy tuabin hơi trong nhà máy nhiệt điện.

Về lộ trình học tập, môn học ELEO54059 là điều kiện tiên quyết bắt buộc để người học tiến tới các mô đun thực hành chuyên sâu giai đoạn sau:

  • Vận hành Tua-bin hơi và hệ thống thiết bị phụ 1 (Mã: ELEO55162 – 135 giờ)
  • Vận hành Tua-bin hơi và hệ thống thiết bị phụ 2 (Mã: ELEO63163 – 75 giờ)
  • Thực tập sản xuất (Mã: ELET54153 – 180 giờ) và Khóa luận tốt nghiệp (Mã: ELET63120 – 135 giờ).

Tài liệu là cơ sở học thuật vững chắc, phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo nhân lực kỹ thuật vận hành nhà máy nhiệt điện theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.