Giáo Trình Môn Học: 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) do Trường Cao đẳng Dầu khí biên soạn và ban hành theo Quyết định số 213/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 tại Bà Rịa – Vũng Tàu. Nhóm tác giả tham gia biên soạn gồm: Lê Thị Thu Hường, Ninh Trọng Tuấn và Nguyễn Xuân Thịnh. Giáo trình được thiết kế với thời lượng đào tạo 75 giờ (tương đương 04 tín chỉ), phân bổ gồm 42 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành/thảo luận/bài tập và 04 giờ kiểm tra đánh giá.

Về vị trí đào tạo, đây là môn học chuyên môn nghề bắt buộc thuộc chương trình đào tạo nghề Vận hành nhà máy nhiệt điện (trình độ Trung cấp và Cao đẳng). Môn học trang bị hệ thống kiến thức kỹ thuật về cấu tạo, nguyên lý làm việc và thông số vận hành của tổ máy tuabin cùng toàn bộ chuỗi thiết bị phụ trợ trong chu trình sinh công của nhà máy điện.

Mục tiêu học tập (Learning Outcomes) của giáo trình quy định người học sau khi hoàn thành chương trình có khả năng:

  • Trình bày và phân tích được phân loại, cấu tạo cơ khí chi tiết (Rotor, Stator, cánh tĩnh, cánh động, thân xilanh, hệ thống gối đỡ và chèn hơi) cùng nguyên lý biến đổi năng lượng của tuabin hơi nước.
  • Giải thích được bản chất nhiệt động học của chu trình Rankine ứng dụng trong tuabin, các giải pháp nâng cao hiệu suất nhiệt thông qua quá nhiệt trung gian và trích hơi gia nhiệt hồi nhiệt.
  • Nắm vững cấu tạo, sơ đồ nguyên lý và chế độ vận hành của hệ thống thiết bị phụ (bình ngưng, ejector, khử khí, bình gia nhiệt cao/hạ áp, hệ thống bôi trơn, bơm nâng trục và thiết bị trở trục).
  • Hiểu rõ phương pháp điều khiển và cấu trúc 4 cấp bảo vệ liên động an toàn tuabin (hệ thống điều khiển điện lực số DEH, cụm van OPC, van AST, bộ điều tốc sự cố chốt văng cơ khí).
  • Rèn luyện năng lực tự chủ và trách nhiệm thông qua tác phong làm việc ngăn nắp, cẩn trọng, tỉ mỉ và tuân thủ kỷ luật an toàn công nghiệp.

Cấu trúc giáo trình gồm 3 chương logic: Chương 1 cung cấp nền tảng nhiệt động học và tổng quan chu trình; Chương 2 đi sâu vào cấu tạo chi tiết thân tuabin và cơ chế bảo vệ tự động; Chương 3 trình bày toàn diện hệ thống thiết bị phụ trợ đồng bộ trong gian tuabin. Điểm đặc thù của tài liệu là việc tích hợp các thông số kỹ thuật, bản vẽ công nghệ và sơ đồ nguyên lý lấy trực tiếp từ các nhà máy nhiệt điện thực tế như Nhiệt điện Phả Lại II và Hải Phòng I.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Giáo trình phân bố nội dung qua 3 chương chuyên môn với tổng khối lượng 75 giờ:

Chương 1: Tổng quan về Tua-bin hơi (10 giờ)

  • Lịch sử phát triển công nghệ chế tạo tuabin: Các thế hệ máy LMZ (25–1200 MW), KhTGZ (50–1000 MW), NZL, UTMZ, KTZ của Liên Xô trước đây cùng các hãng thiết bị quốc tế hiện nay như Toshiba, Mitsubishi, General Electric (GE), SIEMENS, Babcock & Wilcox.
  • Khái niệm cơ bản: Tổ máy tuabin - máy phát, phân loại dòng chảy dọc trục và hướng kính, công suất trong, công suất định mức, công suất kinh tế ($0{,}85 \div 0{,}95$ công suất định mức), phụ tải và công suất có ích.
  • Nguyên lý biến đổi năng lượng: Cấu tạo tầng tuabin xung lực (sự giãn nở sinh công hoàn toàn trong ống phun) và tầng tuabin phản lực (sự giãn nở nhiệt giáng phân bố đều ở cả ống phun và rãnh cánh động).
  • Chu trình nhiệt động lực học: Khảo sát chu trình Rankine đơn giản (lý tưởng và thực tế trên đồ thị $i\text{-}s$), chu trình Rankine có gia nhiệt hồi nhiệt qua các cửa trích hơi (giảm lượng nhiệt thải tại bình ngưng từ 65% xuống 45%, nâng hiệu suất nhiệt từ 0,30 lên 0,50), chu trình có quá nhiệt trung gian tái nhiệt (áp dụng cho các tổ máy trên 300 MW như tổ máy 300 MW Phả Lại II với thông số $P_0 = 169\text{ kG/cm}^2$, $T_0 = 538^\circ\text{C}$).

Chương 2: Tua-bin hơi nước (20 giờ)

  • Tiêu chí phân loại: Phân loại theo chu trình nhiệt (ngưng hơi thuần túy, đối áp, trích hơi điều chỉnh), theo số tầng, số thân/xilanh (1 đến 4 thân), phương pháp phân phối hơi (ống phun, tiết lưu, van quá tải, kết hợp), theo thông số hơi vào (thấp áp, trung áp, cao áp, trên cao áp, trên tới hạn: 235,5 bar, 560°C).
  • Cấu tạo cơ khí phần tĩnh: Vỏ/xilanh tuabin (đúc bằng gang xám, thép cacbon, thép hợp kim austenit pha Cr-Ni-Mo-V-W; kết cấu vỏ kép/thân 2 lớp đối với vùng nhiệt độ trên 550°C), mặt bích, bulông, gờ hướng dòng, thiết kế điểm chết và chốt giãn nở tự do (biến dạng nhiệt $10 \div 15\text{ mm}$).
  • Cấu tạo cơ khí phần động: Rotor rèn đơn nối trục cứng, đĩa cân bằng lực dọc trục, cánh động (chân cánh mộng chữ T ở tầng đầu, mộng cây thông ngược ở tầng cuối, tôi cứng 1/3 mép vào để chống xói mòn hạt ẩm), cánh tĩnh có rãnh xẻ so le tách màng ẩm.
  • Hệ thống phụ trợ trên thân tuabin: Gối đỡ trượt lót hợp kim ba-bít, gối đỡ chặn, bơm dầu nâng trục (JOP), bơm dầu chính (MOP), bơm dầu khẩn cấp (EOP), bộ chèn hơi ngăn ngừa rò rỉ và lọt khí, bộ quay trục (42CrMo4, vận tốc $50 \div 100\text{ vòng/phút}$).
  • Cơ cấu bảo vệ 4 cấp tự động: Cấp 1 điều khiển van điện từ OPC qua DEH khi tốc độ $\ge 3300\text{ v/p}$; Cấp 2 van điện từ AST đóng van Stop và van điều chỉnh khi tốc độ vượt $3330 \div 3360\text{ v/p}$; Cấp 3 bộ điều tốc sự cố cơ học (chốt văng an toàn ly tâm, vòng khuyên an toàn tác động tại $109 \div 110% n_{\text{đm}}$); Cấp 4 dừng khẩn cấp bằng nút ấn ngắt bằng tay.

Chương 3: Thiết bị phụ tua-bin hơi (45 giờ)

  • Bình ngưng: Kết cấu bề mặt truyền nhiệt dạng vỏ và ống, kiểu 1 chặng hoặc 2 chặng đường nước làm mát tuần hoàn, duy trì độ chân không $51\text{ mmHg}$.
  • Thiết bị hút chân không: Sơ đồ nguyên lý và kết cấu êjêctơ hơi nước 2 cấp (kiểu KhTGZ), duy trì phân áp chân không buồng thoát.
  • Thiết bị khử khí kiểu nhiệt: Cột khử khí đặt đứng và đặt nằm ngang, cơ chế tách oxy hòa tan và khí không ngưng ra khỏi nước cấp lò hơi.
  • Thiết bị gia nhiệt hồi nhiệt: Bình gia nhiệt hạ áp dạng ống chùm có mặt sàng; bình gia nhiệt cao áp kiểu ống xoắn chữ U (kiểu ПB) gồm 3 khoang (khoang làm mát hơi quá nhiệt, khoang ngưng tụ, khoang làm mát nước ngưng) đi kèm hộp van bảo vệ tự động điện - thủy lực.
  • Mạng lưới đường ống và bơm: Hệ thống bơm ngưng ly tâm, bơm cấp, hệ thống làm mát tuần hoàn hở/kín, hệ thống bôi trơn và điều khiển thủy lực (bể dầu $12{,}5\text{ m}^3$, bơm bánh răng áp lực $160\text{ barG}$, bình tích áp tích khí $N_2$, quạt hút hơi dầu, bộ lọc làm sạch dầu).
  • Thiết bị trở trục: Kết cấu bộ quay trục ly hợp thủy lực K-100-90 LMZ, tự động vào khớp ở $400\text{ v/p}$ và ngắt khớp ở $500\text{ v/p}$.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  1. Cơ sở nhiệt động lực học kỹ thuật: Xây dựng bản chất các quá trình nhiệt động trong đồ thị trạng thái $i\text{-}s$, tính toán độ giảm enthalpy ($\Delta i$), thông số hơi bão hòa, hơi quá nhiệt và phân tích tổn thất nhiệt tại bình ngưng.
  2. Nguyên lý thủy lực và truyền động lưu chất: Cơ chế dòng chảy qua ống phun hội tụ - phân kỳ, quy luật biến thiên áp suất - tốc độ qua các tầng cánh xung lực và phản lực, các đặc tính làm việc của bơm ly tâm và bơm bánh răng ăn khớp.
  3. Cơ cấu cơ học chính xác và truyền nhiệt công nghiệp: Lý thuyết phân bố ứng suất nhiệt, hiện tượng giãn nở nhiệt không đều gây cong trục rôto, nguyên lý cân bằng lực dọc trục bằng đĩa cân bằng và piston giảm tải, cơ chế trao đổi nhiệt bề mặt trong thiết bị bình ngưng và bình gia nhiệt.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Đọc và bóc tách sơ đồ công nghệ P&ID nhà máy nhiệt điện; nhận diện các chi tiết cơ khí trên bản vẽ mặt cắt dọc tuabin; theo dõi các thông số vận hành (áp suất hơi mới $P_0$, nhiệt độ $T_0$, độ rung gối trục, độ lệch tâm, độ giãn nở tương đối giữa vỏ và rôto).
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích đồ thị thay đổi áp suất - tốc độ dòng hơi qua các tầng cánh; đánh giá độ tăng hiệu suất nhiệt của chu trình khi tích hợp hệ thống 7 cửa trích hồi nhiệt; phân tích sai lệch áp lực dầu bôi trơn và dầu điều khiển ($1{,}96\text{ MPa}$).
  • Năng lực thực hành chuyên môn (Practical competencies): Thực hiện đúng quy trình khởi động - dừng bộ quay trục; xử lý thao tác kiểm tra thử nghiệm chốt văng an toàn độc lập (chốt số 1 và chốt số 2); nhận biết và cô lập các sự cố đe dọa an toàn tổ máy (sự cố mất chân không bình ngưng, áp lực dầu bôi trơn tụt dưới $0{,}034 \div 0{,}048\text{ MPa}$, tác động liên động dừng từ bộ bảo vệ lò hơi MFT hoặc rơle 86G).

Phương pháp giảng dạy và học tập

Tiếp cận sư phạm (Pedagogical Approach)

Giáo trình định hướng giảng viên áp dụng phương pháp dạy học tích cực, kết hợp diễn giảng lý thuyết kỹ thuật với dạy học giải quyết vấn đề (Problem-based learning). Giảng viên sử dụng giáo án bài học chuẩn hóa, trình chiếu mô hình động, phim tài liệu, tranh ảnh cấu tạo chi tiết (mặt cắt dọc tuabin xung lực/phản lực, cơ cấu chốt văng an toàn, kết cấu bình khử khí và hộp van tự động) kết hợp phát phiếu học tập cho người học theo từng chuyên đề.

Bài tập và thực hành

  • Hệ thống 29 giờ dành cho bài tập, thí nghiệm và thảo luận được tổ chức theo hình thức cá nhân và nhóm.
  • Bài tập tính toán chu trình nhiệt động: Xác định các điểm trạng thái trên đồ thị $i\text{-}s$, tính toán hiệu suất nhiệt chu trình Rankine có hồi nhiệt và tái nhiệt.
  • Bài tập tình huống vận hành: Phân tích nguyên nhân biến dạng nhiệt rôto khi dừng máy mà không khởi động bộ quay trục; xử lý kịch bản áp suất dầu bôi trơn suy giảm; kiểm tra trình tự tác động của van điện từ AST và chốt văng cơ học khi tuabin vượt tốc.
  • Thảo luận sơ đồ công nghệ: Bóc tách nguyên lý hoạt động của cụm van thử nghiệm chốt an toàn, sơ đồ cấp dầu bôi trơn từ bể chứa $12{,}5\text{ m}^3$ qua các bơm MOP, EOP, JOP.

Phương pháp kiểm tra và đánh giá

Hệ thống đánh giá kết quả học tập được quy chuẩn theo văn bản chương trình môn học ban hành:

  1. Kiểm tra thường xuyên: Gồm 02 bài do giáo viên thực hiện bất kỳ trong quá trình học bằng hình thức vấn đáp, kiểm tra viết thời gian $\le 30\text{ phút}$, hoặc chấm điểm phiếu học tập/thực hành.
  2. Kiểm tra định kỳ: Gồm 04 bài kiểm tra hệ số định kỳ (thời gian làm bài $45 \div 60\text{ phút}$ mỗi bài):
    • Bài số 1: Kiểm tra lý thuyết Chương 1 (Tổng quan và chu trình nhiệt động).
    • Bài số 2: Kiểm tra lý thuyết Chương 2 (Cấu tạo và nguyên lý tuabin).
    • Bài số 3: Kiểm tra lý thuyết Chương 3 (Hệ thống thiết bị phụ).
    • Bài số 4: Kiểm tra thực hành bài tập Chương 3 (Tính toán và phân tích sơ đồ thiết bị phụ).
  3. Thi kết thúc môn học: Thi lý thuyết tổng hợp toàn bộ chương trình, thời gian làm bài từ $45 \div 60\text{ phút}$.

Hướng dẫn tự học cho học sinh

  • Đọc trước tài liệu giáo trình và tài liệu tham khảo theo nội dung từng buổi học.
  • Chuẩn bị đầy đủ vở ghi, bản vẽ công nghệ và hoàn thành phiếu học tập cá nhân đúng thời hạn.
  • Tự giác nghiên cứu hệ thống câu hỏi củng cố ở cuối mỗi chương để nắm chắc bản chất các định nghĩa, thông số cài đặt bảo vệ và sơ đồ nguyên lý.

Điểm nổi bật và cập nhật

  1. Dữ liệu kỹ thuật bám sát thực tế nhà máy nhiệt điện công suất lớn: Giáo trình trích dẫn đầy đủ bảng thông số vận hành và chỉ số cài đặt định mức của tổ máy tuabin $300\text{ MW}$ hiện đại: Lưu lượng hơi mới $921.763\text{ kg/h}$, áp suất hơi chính $166{,}7\text{ barA}$, nhiệt độ hơi chính $538^\circ\text{C}$, áp suất tái nhiệt $40{,}6\text{ barA}$, nhiệt độ tái nhiệt $538^\circ\text{C}$, độ chân không bình ngưng $51\text{ mmHg}$. Bảng phân bố thông số 7 cửa trích hơi được ghi nhận chính xác từ cửa số 1 ($72{,}07\text{ barA}$, $405{,}58^\circ\text{C}$) đến cửa số 7 ($0{,}220\text{ barA}$, độ khô $93{,}57%$).

  2. Khảo sát hệ thống bảo vệ điều khiển số kết hợp cơ khí chính xác: Tài liệu tích hợp nguyên lý làm việc của hệ thống điều tốc kỹ thuật số DEH (Digital Electro-Hydraulic Control) và EHG liên kết chặt chẽ với hệ cơ khí thủy lực truyền thống: Cơ cấu chấp hành van Stop/van điều chỉnh, van điện từ OPC (chống vượt tốc mức 1), van điện từ AST (ngắt sự cố mức 2) và bộ điều tốc chốt văng cơ học đầu trục tác động tại $3330 \div 3360\text{ vòng/phút}$.

  3. Tính hệ thống hóa về công nghệ chế tạo và vật liệu chịu nhiệt cao: Trình bày cụ thể tiêu chuẩn vật liệu chế tạo thân xilanh tuabin từ gang peclit ($350^\circ\text{C}$), thép cacbon ($400 \div 425^\circ\text{C}$) đến các dòng thép hợp kim austenit chứa crom, niken, molipden, vanadi, vonfram chịu nhiệt độ trên $550^\circ\text{C}$ với giải pháp kết cấu vỏ kép (thân 2 lớp).

  4. Kế thừa và đồng bộ tài liệu chuyên ngành tiêu chuẩn: Nội dung giáo trình được biên soạn trên cơ sở kế thừa các giáo trình chuyên ngành nhiệt điện uy tín tại Việt Nam, bao gồm:

    • Tuabin hơi nước – Lý thuyết và cấu tạo (NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2005).
    • Nguyễn Sỹ Mão, Thiết bị lò hơi (NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006).

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Học sinh, sinh viên ngành Kỹ thuật Nhiệt và Năng lượng: Tài liệu được biên soạn làm giáo trình học tập chính thức cho học sinh, sinh viên trình độ Trung cấp và Cao đẳng theo học nghề Vận hành nhà máy nhiệt điện.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Để tiếp thu hiệu quả giáo trình, người học cần hoàn thành các môn học cơ sở và chuyên môn chung trong khung chương trình:
    • Mạch điện cơ bản (ELEI52033)
    • An toàn điện (ELET5201)
    • Điện kỹ thuật cơ bản (ELEO53012)
    • Đo lường điện (ELEI53115)
    • Khí cụ điện (ELET52116)
    • Tổng quan về nhà máy nhiệt điện (ELEO52056)
    • Lò hơi và hệ thống thiết bị phụ (ELEO54031)
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm căn cứ pháp lý và chuyên môn để thiết kế giáo án giảng dạy lý thuyết, biên soạn hệ thống phiếu học tập, xây dựng ngân hàng đề kiểm tra định kỳ (4 bài) và đề thi kết thúc môn học kèm biểu mẫu đánh giá.
  • Cán bộ kỹ thuật và công nhân vận hành: Dùng làm tài liệu tham khảo nội bộ phục vụ công tác bồi dưỡng nghiệp vụ, ôn tập quy trình vận hành và xử lý sự cố thiết bị gian máy tuabin tại các nhà máy điện.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được biên soạn phục vụ trực tiếp cho học sinh, sinh viên theo học nghề Vận hành nhà máy nhiệt điện ở trình độ Trung cấp và Cao đẳng. Ngoài ra, tài liệu phù hợp làm tài liệu tham khảo cho kỹ thuật viên và công nhân kỹ thuật đang làm việc tại các gian tuabin của nhà máy nhiệt điện ngưng hơi.

2. Cần kiến thức nền nào để học?

Người học cần có kiến thức cơ bản về nguyên lý nhiệt kỹ thuật, cơ học lưu chất, mạch điện cơ bản, thiết bị đo lường và cấu tạo lò hơi nhà máy nhiệt điện (đã được giảng dạy trong các môn học tiên quyết như ELEO52056, ELEO54031, ELEI53115).

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các giáo trình khác?

Giáo trình tập trung chuyên sâu vào công nghệ thực hành và vận hành thực tế. Không chỉ trình bày lý thuyết cấu tạo, giáo trình cung cấp bảng thông số định mức chi tiết của tổ máy 300 MW, phân tích sâu cơ chế hoạt động của 4 cấp bảo vệ liên động an toàn (OPC, AST, chốt văng, dừng khẩn cấp) và hệ thống thiết bị phụ trợ đồng bộ (bộ quay trục 42CrMo4, hệ thống bơm dầu JOP/MOP/EOP, bình gia nhiệt 3 khoang).

4. Làm sao để tự học giáo trình hiệu quả?

Người học cần kết hợp đọc lý thuyết với việc phân tích các sơ đồ nhiệt nguyên lý và đồ thị biến thiên $i\text{-}s$ của chu trình Rankine; bóc tách cấu tạo các cụm chi tiết qua danh mục hình vẽ mặt cắt; hoàn thành đầy đủ hệ thống câu hỏi củng cố ở cuối mỗi chương để kiểm tra mức độ ghi nhớ kiến thức kỹ thuật.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo?

Đi kèm với giáo trình là hệ thống giáo án bài giảng, phiếu học tập cá nhân/nhóm, tranh vẽ kỹ thuật, video mô phỏng nguyên lý hoạt động của tổ máy tuabin và danh mục tài liệu tham khảo chuyên ngành: Tuabin hơi nước – Lý thuyết và cấu tạo (NXB KHKT, 2005) và Thiết bị lò hơi (Nguyễn Sỹ Mão, NXB KHKT, 2006).

Kết luận

Giáo trình Tuabin hơi và hệ thống thiết bị phụ cung cấp một chương trình kiến thức hoàn chỉnh và chuẩn mực về mặt kỹ thuật, phản ánh cấu trúc thiết bị và quy chuẩn vận hành của nhà máy nhiệt điện ngưng hơi hiện đại.

[Môn học tiên quyết: Lò hơi & TB phụ] 
[Môn học: TUABIN HƠI VÀ THIẾT BỊ PHỤ (ELEO54059)]
[Mô-đun kế tiếp: Vận hành Tuabin hơi và TB phụ 1 (ELEO55162)] 
[Thực tập sản xuất tại Nhà máy Nhiệt điện (ELET54153)]

Lộ trình học tập đề xuất cho người học là hoàn thành toàn bộ khối lý thuyết và bài tập của môn học này (ELEO54059), làm nền tảng vững chắc để chuyển tiếp sang các mô-đun thực hành chuyên sâu: Vận hành Tua-bin hơi và hệ thống thiết bị phụ 1 (Mã môn học: ELEO55162 - 5 tín chỉ, 135 giờ) và hoàn tất học phần Thực tập sản xuất (Mã môn học: ELET54153 - 4 tín chỉ, 180 giờ) trực tiếp tại nhà máy nhiệt điện. Tài liệu tham khảo chính yếu tiếp tục được khuyến nghị là các giáo trình chuyên ngành nhiệt điện của Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.