Đề tài Các dạng thiết bị năng lượng tàu thuỷ hiện đại

Kiểu truyền động phụ thuộc vào kết cấu của động cơ điêden, tốc độ quay của trục, kiểu loại và công dụng tàu. Thông thường, người ta sử dụng các kiểu truyền động thủy lực và truyền động điện trong các trường hợp đòi hỏi tính cơ động của TBNL tàu cao, động cơ chính sản ra công suất toàn phần ở các chế độ gần với chế độ buộc tàu hoặc khi cần nhận tốc độ quay tối ưu của chân vịt ở chế độ hành trình. Hình 1.2- Dạng chung của TBNL điêden 1.3.2- ThiẾt bỊ năng lưỢng tuabin hơi 1- Đặc điểm thiết bị năng lượng tuabin hơi TBNL tuabin hơi là TBNL sử dụng động cơ chính là tuabin hơi (là loại động cơ nhiệt đốt ngoài kiểu rôto). Ở thiết bị năng lượng tuabin hơi, môi chất công tác tuần hoàn không ngừng theo vòng kín, trong đó, diễn ra sự thay đổi trạng thái của môi chất công tác (nước nhận nhiệt, biến thành hơi nước tại nồi hơi; hơi nước trao nhiệt để biến thành công tại tuabin hơi; hơi nước tiếp tục thải nhiệt để biến thành nước tại bình ngưng; nước được cấp trở lại nồi hơi nhờ bơm cấp). Ngoài những đặc điểm chung của thiết bị tuabin như được giới thiệu ở động cơ tuabin khí, thiết bị tuabin hơi có các đặc điểm riêng sau: + Môi chất công tác là hơi nước nên trong thành phần của thiết bị có nồi hơi, thiết bị ngưng tụ; + Nhiệt độ của chu trình thấp, do đó hiệu suất nhiệt thấp. Có nhiều tổn thất nhiệt ở nồi hơi và ống dẫn hơi cùng các tổn thất khác; + Muốn tận dụng nhiệt được tốt cần có thiết bị ngưng tụ; + Sự trao đổi nhiệt giữa khí lò và nước cùng với hơi nước bị hạn chế bởi ứng suất nhiệt xuất hiện ở vật liệu dùng làm mặt hấp nhiệt (nhiệt độ giới hạn của hơi nước là và của khí lò là ); + Thiết bị động lực cần có thiết bị dự trữ nước, vận chuyển và các thiết bị phụ khác phức tạp; + Kích thước và khối lượng lớn; + Nồi hơi phải đốt liên tục, hơi nước có áp suất và nhiệt độ cao lưu động không ngừng trong các đường ống, rất nguy hiểm cho người vận hành; + Thời gian chuẩn bị khởi động thiết bị dài, do đó tính cơ động của tàu thấp. 2- Sơ đồ nguyên lý thiết bị năng lượng tuabin hơi Sơ đồ nguyên lý thiết bị năng lượng tuabin hơi đơn giản được thể hiện trên hình 1.3 7 6 5 1 4 3 2 1 1 Hình 1.3- Sơ đồ nguyên lý TBNL tuabin hơi 1. Chân vịt; 2. Hộp số; 3. Tuabin hơi; 4. Nồi hơi; 5. Bơm cấp; 6. Thiết bị ngưng tụ; 7. Mạch nước làm nguội Ở thiết bị này, nhiệt năng tỏa ra nhờ đốt cháy nhiên liệu được cung cấp cho nồi hơi 4. Nước trong nồi hơi nhận nhiệt này biến thành hơi bão hòa, rồi thành hơi quá nhiệt trong bộ sấy hơi. Hơi quá nhiệt được đưa đến tuabin hơi 3 qua hệ thống miệng phun. Tại miệng phun, hơi tiến hành giãn nở, biến một phần thế năng thành động năng rồi được đưa vào dãy cánh công tác của tuabin để biến động năng thành cơ năng, làm quay trục tuabin. Công suất do tuabin sản ra được truyền qua hộp số 2 và hệ trục, đến chân vịt 1. Hơi nước sau khi ra khỏi tuabin 3 được đưa đến thiết bị ngưng tụ 6 để biến thành nước, rồi được bơm cấp 5 cấp trở lại nồi hơi 4, hoàn thành chu trình công tác. TBNL tuabin hơi được sử dụng trên các tàu hơi nước cỡ lớn của hạm tàu biển công suất trên 20.000 kW. Nó cho phép tạo ra công suất chung trên trục chân vịt của tàu đến 220.103 kW và lớn hơn nữa. 3- Các bộ phận hợp thành của TBNL tuabin hơi Thiết bị tuabin hơi bao gồm nồi hơi, tuabin hơi, thiết bị ngưng tụ, bơm cấp và các thiết bị phụ khác. Đó là thiết bị động lực hơi nước và việc nghiên cứu nó được bắt đầu từ chu trình nhiệt. (1)- Nồi hơi Nồi hơi là thiết bị dùng để sản xuất ra hơi nước có các thông số nhất định dùng cho động cơ hơi nước, sản xuất và nhu cầu sinh hoạt của con người. Nguyên lý chung là nhiên liệu trong buồng lửa (buồng đốt) được đốt cháy, tạo ra khí lò có nhiệt độ cao và truyền nhiệt cho các mặt hấp nhiệt của nồi hơi. Nước trong nồi hơi nhận nhiệt từ đây, nâng cao nhiệt độ, sôi và biến thành hơi nước bão hoà rồi thành hơi quá nhiệt (theo yêu cầu), sau đó, được cấp cho các hộ tiêu dùng (xem hình 1.4). b) a) Hình 1.4- Cấu tạo nồi hơi a) Cấu tạo; b) Hình dạng chung Nồi hơi tàu thuỷ được dùng để cung cấp hơi nước cho các máy động lực (máy hơi nước và tuabin hơi), cấp cho nhu cầu sưởi ấm, sấy nóng. Nó được sử dụng rộng rãi trên các tàu thuỷ cỡ lớn với chức năng là nồi hơi chính hay phụ để phục vụ cho các thiết bị động lực, sản xuất hay sinh hoạt trên tàu. (2)- Tuabin hơi Tuabin là loại động cơ nhiệt kiểu rôto, trong đó năng lượng nhiệt của hơi hoặc khí ở dạng thế năng (áp năng) được biến thành động năng, rồi thành cơ năng làm quay trục tuabin. Môi chất công tác là hơi nước (dùng cho tuabin hơi) hoặc là chất khí (dùng cho tuabin khí). Sự biến đổi thế năng thành động năng có thể diễn ra trên cả phần cố định và phần quay (chuyển động) của tuabin hoặc là sự biến đổi thế năng thành động năng chỉ xảy ra ở phần cố định, còn động năng biến thành cơ năng trên phần quay. Chính vì thế nên có 2 loại tuabin: tuabin xung kích (xung lực) và tuabin phản kích (phản lực). Cấu tạo tuabin hơi được thể hiện trên hình 1.5. a) Hình 1.5- Cấu tạo tuabin hơi a) Cấu tạo tuabin hơi b) Tổ hợp tuabin hơi b) (3)- Bình ngưng Bình ngưng được dùng để duy trì sự hạ áp và ngưng tụ hơi thải. Việc giảm áp suất từ p1 đến p2 trong bình ngưng cho phép tăng mức giãn nở chung của hơi trong tuabin. Kết quả là độ giáng nhiệt (độ chênh nhiệt) được tạo ra trong thiết bị, cho phép gia tăng đại lượng DHa, tổn thất chu trình q2 giảm và hiệu suất nhiệt tăng lên. Bình ngưng trong TBNL tuabin hơi thường là kiểu ống chùm nằm ngang (nước tải nhiệt đi bên trong ống). (4)- Bơm cấp Bơm cấp nồi được dùng trong TBNL tuabin hơi thường là bơm ly tâm có cột áp cao (xem hình 1.6). 4- Các thông số cơ bản của tuabin hơi Các thông số cơ bản của tuabin hơi gồm có tốc độ quay, công suất, suất tiêu hao hơi và hiệu suất. Suất tiêu hao hơi (chi phí hơi riêng) được tính theo công thức: De = , kg/MLh hoặc De = , kg/MLh (1.1) Trong đó: ha - nhiệt giáng giãn nở đoạn nhiệt, kcal/kg; he - hiệu suất có ích của tuabin; Ne - công suất có ích (trên bích của trục chân vịt), ML. Theo đó, công suất có ích được tính theo công thức: Ne = = 5,69.G.ha.he , ML (1.2) Nếu công suất tính theo đơn vị đo là kW thì Công suất và suất tiêu hao hơi của tuabin được tính theo các công thức: De = , kg/kWh và Ne = 4,19.G.ha.he , kW (1.3) b) a) Hình 1.6- Cấu tạo bơm ly tâm a), b) Bơm có trục độc lập; c) Bơm được lắp trên trục động cơ điện c) Hiệu suất có ích của toàn thiết bị tuabin hơi: hethb = hN.he = hN.ht.hoit.hng (1.4) Trong đó: hN - hiệu suất của nồi hơi, hN = (0,93 ¸ 0,96); ht - hiệu suất nhiệt của tuabin, - ht = (0,36 ¸ 0,38) khi tuabin làm việc với hơi có thông số trung bình; - ht = (0,42 ¸ 0,44) đối với tuabin làm việc với hơi có thông số cao có hoàn nhiệt và quá nhiệt trung gian. Thông thường hethb = (0,26 ¸ 0,28), cá biệt có thể đạt được hethb = (0,32 ¸ 0,34). 5- Đặc tính của tuabin hơi Đặc tính tải – tốc độ của tuabin ở các mức chi phí hơi khác nhau được thể hiện trên hình 1.7. Sự phụ thuộc Ne = f(n) đối với tuabin ở mức chi phí hơi D có dạng gần như đường parabol bậc hai, xuất phát từ gốc toạ độ và có điểm cực đại khi n = ne, nếu độ chênh nhiệt có được khi thay đổi tốc độ quay được coi như không đổi. Mômen xoắn và công suất do tuabin sản ra ở tốc độ quay không đổi tỷ lệ với chi phí hơi trên giây. Khả năng tuabin gia tăng mômen cùng với sự giảm tốc độ quay đảm bảo cho nó có được chất lượng cơ động cao. Tốc độ quay của tuabin khi vận hành không được vượt quá (10÷15)% so với tốc độ quay tính toán định mức. Điều này được đảm bảo bởi bộ điều chỉnh tốc độ và thiết bị khoá nhanh tự động tác động, ngừng sự cấp hơi đến tuabin, chỉ khi tốc độ quay đạt đến giá trị giới hạn. Trong các trường hợp đặc biệt, cần đảm bảo tính kinh tế cao của thiết bị tuabin hơi chính ở chế độ công suất toàn phần ứng với tốc độ tàu toàn phần, cũng như ở chế độ công suất nhỏ trong giai đoạn chuyển tiếp [(20÷25)% công suất định mức và nhỏ hơn], người ta trang bị thiết bị “cấp hành trình nhỏ”, được bố trí ở trong phần thân chính của tuabin hoặc được gắn vào thân riêng, tạo nên hành trình kinh tế cho tuabin. Nó chỉ làm việc ở hành trình thấp và không tải khi chạy hành trình hoặc được tách khỏi thiết bị bởi khớp nối tách được. Hình 1.7- Đặc tính tải-tốc độ của tuabin hơi 6- Ưu nhược điểm của TBNL tuabin hơi a)- Ưu điểm - Công suất lớn, có thể đạt trên 100.000 mã lực - Có hiệu suất he tăng theo công suất Ne (Động cơ càng lớn thì tính kinh tế càng cao); - Sử dụng được nhiều loại nhiên liệu rẻ tiền: than đá, dầu nặng, ... ; - Có thể tận dụng được nhiệt khí xả của động cơ điêden (sử dụng nồi hơi tận dụng). b)- Nhược điểm - Hiệu suất he thấp do mất mát nhiệt quá lớn do gia nhiệt gián tiếp, sự chuyển trạng trái liên tục của môi chất công tác; - Tốc độ quay của tuabin lớn nên thiết bị truyền động cồng kềnh (hộp giảm tốc lớn); - Tính cơ động thấp (không thể thay đổi nhanh chế độ làm việc, thời gian khởi động lâu, tuabin không tự đảo chiều); - Hiệu suất thấp [he = (0,17¸0,23)], tính kinh tế thấp ở các động cơ cỡ nhỏ; - Sơ đồ nguyên lý phức tạp, các thiết bị phân tán với nhiều đường ống cao áp ở nhiệt độ cao; - Giá thành chế tạo cao; - Nhân viên vận hành đòi hỏi số lượng lớn. TBNL tuabin hơi được sử dụng trên các tàu hơi nước cỡ lớn của hạm tàu biển công suất trên 20.000 kW. Nó cho phép tạo ra công suất chung trên trục chân vịt của tàu đến 220.103 kW và lớn hơn nữa. Có thể nâng cao tính kinh tế của TBNL tuabin hơi bằng cách: - Sử dụng các loại nhiên liệu rẻ tiền; - Cải thiện thông số hơi ban đầu và thay đổi tương ứng sơ đồ động và kết cấu các thành phần của thiết bị tuabin hơi; - Hoàn thiện sơ đồ nhiệt, gia tăng hiệu quả bộ sấy nước cấp kiểu hoàn nhiệt; - Giảm bớt tổn thất nhiệt do nước ngoài mạn mang đi, hạn chế sự rò rỉ nước và hơi nước; - Nâng cao hiệu suất các phần tử riêng của thiết bị tuabin hơi. Tính kinh tế của thiết bị tuabin hơi tỉ lệ thuận với công suất của tổ hợp thiết bị. 7- Các hệ thống của TBNL tuabin hơi (1)- Hệ thống cấp – ngưng tụ Hệ thống ngưng tụ – cấp được dùng để tiếp nhận nước ngưng từ bình ngưng chính và phụ và đảm bảo việc cấp nước vào nồi hơi. Chúng là một trong những bộ phận chủ yếu của sơ đồ nhiệt của thiết bị, nối liền giữa bình ngưng chính với nồi hơi. Trên các tàu hiện đại, người ta dùng hệ thống cấp nước kín và đảm bảo việc khử khí cho nó. Nước cấp cho nồi hơi nhận được từ các bình ngưng chính và phụ. Mức hao hụt của nước trong hệ thống ngưng tụ – cấp được bổ sung bằng nước ngọt nhận từ bờ hoặc nước chưng cất bằng cách tận dụng nhiệt. (2)- Hệ thống làm mát tuần hoàn Trong các thiết bị tuabin hơi, hệ thống làm mát được dùng để đảm bảo việc ngưng tụ hơi trong các bình ngưng chính và phụ và làm mát dầu trong các bình làm mát dầu. (3)- Hệ thống bôi trơn Tổ hợp thiết bị tuabin – truyền động bánh răng chính và dẫn động tuabin - hộp giảm tốc phụ có hệ thống bôi trơn tuần hoàn cưỡng bức đảm bảo việc bôi trơn tin cậy trước lúc khởi động, trong thời gian làm việc và sau khi dừng máy. Người ta chia thành hệ thống bôi trơn tự chảy và bôi trơn tuần hoàn có áp. Trong hệ thống bôi trơn tự chảy, áp suất dầu cần thiết được tạo ra nhờ thế năng do két đặt trên cao (két thế năng). Trong hệ thống có áp, áp suất dầu cần thiết được tạo ra bằng bơm dầu trực tiếp, chuyển dầu từ các két góp dầu. Khác với các hệ thống có áp, trong hệ thống tự chảy, các bơm dầu chuyển dầu từ két góp đến két thế năng, thể tích của chúng cần phải đủ để đảm bảo việc cấp dầu bôi trơn bình thường cho tổ hợp tuabin – truyền động chính trong vòng 5 phút. Người ta thường áp dụng hệ thống bôi trơn dầu tự chảy cho tổ hợp tua bin – truyền động chính của tàu vận tải và hệ thống bôi trơn có áp cho cơ cấu dẫn động bằng tuabin hộp số phụ và đối với tổ hợp tuabin chính trên các tàu hạng nhẹ. Các hộ tiêu thụ dầu trong hệ thống bôi trơn tổ hợp tua bin chính là: - Các gối đỡ của tuabin và hộp giảm tốc chính, vòi phun hệ làm mát và bôi trơn các hộp giảm tốc kiểu bánh răng; - Các gối đỡ và bộ truyền bánh răng của các máy móc phụ gắn trên tổ hợp tuabin chính; - Gối chặn chính; - Hệ thống điều chỉnh, điều khiển và bảo vệ. Hệ thống bôi trơn có nhiệm vụ cung cấp dầu bôi trơn đến các gối đỡ trục, các hệ thống điều chỉnh và bảo vệ của tuabin (dầu bôi trơn được sử dụng loại dầu bôi trơn tuabin). Hiện tại người ta sử dụng hai loại hệ thống bôi trơn: tuần hoàn cưỡng bức và tuần hoàn cưỡng bức kết hợp với tự chảy (hệ thống này có độ tin cậy cao hơn). (4)- Hệ thống nhiên liệu Đối với thiết bị có nồi hơi dùng nhiên liệu lỏng thì lượng dự trữ nhiên liệu thường được bảo quản trong các két ở dưới đáy đôi, hai bên mạn tàu. Nhiên liệu được tiếp nhận qua ống nhận ở trên boong theo đường ống đến các két dự trữ. Đường kính ống nhận được tính toán từ điều kiện tốc độ nhiên liệu trong ống từ (1÷1,5) m/s và thời gian tiếp nhận từ (4÷6) giờ. Để chuyển nhiên liệu từ két này sang két khác, người ta trang bị các bơm chuyển. Trong hệ thống người ta còn trang bị các bộ phận để làm sạch, sấy nóng, … (5)- Hệ thống cấp không khí cho nồi hơi Việc đốt cháy nhiên liệu xảy ra trong điều kiện cấp nhiên liệu liên tục vào vùng cháy ứng với lượng không khí cần thiết và thải khí cháy ra ngoài. Việc khắc phục sức cản thuỷ lực của đường ống dẫn không khí và khí xả trong các nồi hơi tàu thuỷ hiện đại được thực hiện nhờ các quạt gió đẩy không khí liên tục vào nồi hơi theo đường ống dẫn không khí đặc biệt. Để khắc phục sự lọt khí cháy (khói) trong buồng nồi hơi, các nồi hơi có vỏ bọc hai lớp; lúc này quạt thông gió đẩy không khí vào buồng đốt qua đường dẫn được tạo nên bởi thành bên trong và bên ngoài của vỏ bọc. Phương pháp cấp không khí như thế đảm bảo sự lọt khí tương đối nhỏ, độ tin cậy làm việc của thiết bị nồi hơi và các điều kiện thuận tiện cho người vận hành. (7)- Hệ thống an toàn và bảo vệ tuabin Hệ thống này được trang bị nhằm bảo đảm tính an toàn vận hành cho tổ hợp thiết bị tuabin hơi. Người ta trang bị hệ thống báo sự cố và bảo vệ thiết bị theo các tham số sau: - Sự giảm áp suất dầu bôi trơn. - Sự giảm độ chân không trong bình ngưng chính (xuống đến 550 mmHg). - Sự tăng độ dịch dọc trục rôto tuabin quá 1 mm. - Sự tăng tốc độ quay của trục tuabin vượt quá giá trị định mức đến (10¸14)%. (8)- Hệ thống làm kín và hút hơi Việc làm kín bên trong tuabin rất quan trọng. Người ta sử dụng các bộ làm kín nhờ áp suất hơi theo kiểu chân không và kiểu áp suất thay đổi. Do đó, để đảm bảo độ kín cần thiết, người ta trang bị hệ thống cấp hơi và hút hơi để tác động đến bộ làm kín. (9)- Hệ thống sấy nóng tuabin Nếu khởi động tuabin từ trạng thái nguội sẽ làm cho các bộ phận của tuabin bị biến dạng, xuất hiện hiện tượng xung kích nước (do hơi nước ngưng tụ thành những giọt nước lưu động cùng với dòng hơi) làm cho tuabin bị hư hỏng. Do vậy, trước khi khởi động, cần phải sấy nóng tuabin đạt đến chế độ nhiệt nhất định. Người ta dùng hơi bão hoà để sấy nóng tuabin trong thời gian từ (20¸60) phút tuỳ theo kết cấu của nó. Việc sấy nóng được coi như kết thúc khi nhiệt độ trên mặt bích nằm ngang đạt đến (80¸100) 0C đối với tuabin cao áp và (70¸90) 0C đối với tuabin thấp áp. (10)- Hệ thống xả Hệ thống xả được trang bị nhằm để xả phần nước đọng do ngưng tụ trong các khoang của tuabin. Phần nước đọng này chủ yếu xuất hiện trong giai đoạn sấy nóng tuabin. (11)- Hệ thống điều chỉnh tốc độ quay và công suất Việc thay đổi công suất của tuabin thường đi liền với sự thay đổi tốc độ quay của nó. Theo công thức tính công suất Ne = 5,69.G.ha.he, ML, ta nhận thấy có thể thay đổi công suất của tuabin bằng cách thay đổi nhiệt giáng của hơi phân bố trong tuabin (ha) hoặc thay đổi lượng hơi tiêu thụ (G). Để điều chỉnh tốc độ quay của tuabin, người ta trang bị bộ điều tốc. Trong thực tế có thể điều chỉnh tuabin hơi theo các cách sau: - Thay đổi nhiệt giáng của hơi bằng cách tiết lưu (theo chất lượng). - Thay đổi lượng hơi tiêu thụ (theo số lượng). - Thay đổi nhiệt giáng của hơi và đồng thời thay đổi lượng hơi tiêu thụ (liên hợp). - Điều chỉnh hỗn hợp bao gồm hai hoặc nhiều phương pháp điều chỉnh nêu trên. 1.3.3- ThiẾt bỊ năng lưỢng tuabin khí 1- Đặc điểm của TBNL tuabin khí Thiết bị năng lượng tuabin khí được chia thành các thiết bị chu trình hở và thiết bị chu trình kín; theo quá trình cháy có chu trình cháy đẳng tích và chu trình cháy đẳng áp(các tuabin ngày nay được chế tạo theo chu trình đẳng áp). Nhiên liệu dùng trong TBNL tuabin khí chủ yếu ở dạng lỏng, ngoài ra có thể ở dạng khí và dạng rắn (than đá). Thiết bị năng lượng tuabin khí chu trình hở có các đặc điểm sau: + Quá trình sinh công ở động cơ tuabin là quá trình liên tục nên tạo ra mômen quay đều; + Môi chất công tác là sản phẩm cháy của nhiên liệu với không khí, được hình thành ngay trong buồng cháy của động cơ. Nhờ đó thiết bị được đơn giản; + Môi chất công tác có thể đi qua tuabin nhiều nên công suất của động cơ lớn; + Chiều quay của động cơ được quyết định bởi hướng đi của dòng môi chất công tác trong động cơ nên theo kết cấu, động cơ chỉ quay một chiều; + Do được cân bằng tốt nên khi động cơ làm việc ổn định không sinh ra lực quán tính, không gây rung động; + Khi động cơ làm việc ở tốc độ quay thấp, tính kinh tế không cao. Vì vậy, cần nâng cao tốc độ quay để nâng cao tính kinh tế và buộc phải dùng bộ giảm tốc khiến cho kết cấu trở nên cồng kềnh. Tuy nhiên, do sự hạn chế về tính bền nhiệt của vật liệu chế tạo các chi tiết nên không thể đạt được hiệu suất nhiệt cao và tuổi thọ cũng thấp. Mặc dù ra đời muộn, nhưng ngày nay tuabin được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như năng lượng, vận tải, … 2- Sơ đồ nguyên lý của TBNL tuabin khí A- Thiết bị tuabin khí chu trình hở Ở thiết bị tuabin khí chu trình hở, môi chất công tác lúc đầu là không khí và sau đó là hỗn hợp không khí với sản phẩm cháy của nhiên liệu, đi qua các khoang bên trong của các phần tử thiết bị, trao đổi năng lượng trong đó rồi được thải ra ngoài khí quyển. (1)- Chu trình thiết bị tuabin khí cháy đẳng tích Sơ đồ nguyên lý thiết bị tuabin khí cháy đẳng tích được thể hiện trên hình 1.8. Hình 1.8- Sơ đồ nguyên lý thiết bị tuabin khí cháy đẳng tích 1. Van nạp không khí; 2. BCA - Vòi phun; 3. Van thải khí cháy; 4. Miệng phun; 5. Cánh công tác của tuabin; 6. Đoạn ống xả khí thải; 7. Khớp nối; 8. Máy công tác; 9. Động cơ điện khởi động; 10. Tuabin; 11. Máy nén khí Trong thiết bị tuabin khí cháy đẳng tích, buồng cháy có trang bị van nạp ở cửa vào và van xả khí cháy ở cửa ra. Khi nhiên liệu được phun vào thì 2 van này đều đóng và hỗn hợp nhiên liệu – không khí cháy trong thể tích không đổi của buồng cháy. Khi thiết bị làm việc, không khí ở áp suất và nhiệt độ khí quyển p1, T1 được máy nén 9 hút và nén đến áp suất và nhiệt độ khí quyển p2, T2 [thường từ (8¸10) kG/cm2] và đưa đến buồng cháy. Tại đây, nhiên liệu được phun vào qua vòi phun 2 trong điều kiện các van 1 và 3 đều đóng, hỗn hợp nhiên liệu – không khí bốc cháy với thể tích không đổi tạo ra khí cháy với thông số p3, T3, rồi van xả 3 được mở ra để cấp cho tuabin khí. Sau đó, van nạp 1 mở và van xả 3 đóng để nạp không khí vào buồng cháy chuẩn bị cho quá trình làm việc tiếp theo. Trong tuabin, khí cháy hoàn thành việc biến đổi năng lượng (biến một phần nhiệt năng thành cơ năng làm quay tuabin), sau đó được thải ra ngoài với thông số p4, T4. Công suất do tuabin sản ra được dùng một phần lớn để lai máy nén, một phần nhỏ để lai thiết bị phục vụ và phần còn lại cung cấp cho máy công tác. (2)- Chu trình thiết bị tuabin khí cháy đẳng áp Sơ đồ nguyên lý thiết bị tuabin khí cháy đẳng áp được thể hiện trên hình 1.9. Khi thiết bị làm việc, không khí ở áp suất và nhiệt độ khí quyển p1, T1 được máy nén 5 hút và nén đến áp suất và nhiệt độ khí quyển p2, T2 [thường từ (8¸10) kG/cm2] và đưa đến buồng cháy 9. Tại đây, không khí nén được tách làm 2 luồng, một phần không khí nén [(30¸40)%] hoà trộn với nhiên liệu do vòi phun 8 cung cấp và bốc cháy, tạo ra khí cháy có áp suất và nhiệt độ cao (cao hơn 1.000 0C) p3, T3, phần không khí nén còn lại được dùng để hoà trộn với khí cháy nhằm hạ thấp nhiệt độ khí cháy (£1.000 0C ) để đảm bảo độ bền nhiệt của các chi tiết trong tuabin. Chính vì vậy, hệ số dư lượng không khí ở thiết bị tuabin khí cháy đẳng áp lớn: a = (3,8¸4,5) [khi a = (1,05¸1,6) thì nhiệt độ khí cháy đạt đến (1.800¸2.500) 0C ]. Sản phẩm cháy với thông số này được đưa vào tuabin 11, tại đây khí cháy giãn nở và sinh công. Kết quả tạo được công suất tuabin NT, sau khi hoàn thành sự biến đổi năng lượng, khí cháy được thải ra ngoài với thông số p4, T4. a) Hình 1.9- Sơ đồ nguyên lý TBNL tuabin khí cháy đẳng áp, chu trình hở a) Thiết bị cùng trục 1. Chân vịt; 2. Hộp số; 3. Bơm phun nhiên liệu; 4. Ống hút không khí; 5. Máy nén khí; 6. Ly hợp; 7. Động cơ điện khởi động; 8. Vòi phun; 9. Buồng đốt; 10. Ống khí xả; 11. Tuabin khí b) Thiết bị không cùng trục b) Công suất do tuabin sản ra được dùng một phần lớn để lai máy nén [(60¸75)%], một phần nhỏ dùng để lai thiết bị phục vụ, [(4¸5)%], và phần còn lại cung cấp cho máy công tác [(20¸35)%]. Khi khởi động, người ta dùng động cơ điện khởi động 7. Việc điều khiển tách nối trục động cơ điện khởi động được thực hiện nhờ ly hợp 6. B- Thiết bị tuabin khí chu trình kín Ở TBNL tuabin khí chu trình kín (Hình 1.10) chỉ có một môi chất công tác. Chúng hoạt động theo chu trình kín, cách ly với khí quyển. 6 3 5 4 2 1 Hình 1.10- Sơ đồ nguyên lý TBNL tuabin khí chu trình kín 1.Chân vịt; 2 Hộp số; 3. Tuabin khí; 4. Thiết bị nung; 5. Máy nén khí; 6. Thiết bị làm mát Môi chất công tác (có thể là không khí hay một khí trơ nào đó) được máy nén 5 nén và đưa đến thiết bị nung 4 để nâng nhiệt độ của nó lên đến khoảng chừng với áp suất không đổi, rồi được đưa vào tuabin 3. Tại tuabin, môi chất công tác tiến hành giãn nở sinh công, áp suất giảm đến gần với giá trị áp suất trước máy nén. Sau đó, môi chất công tác được làm mát trong thiết bị làm mát 6, nhờ nước ngoài mạn, đến nhiệt độ ban đầu của chu trình. Công suất do tuabin sản ra được dùng một phần để lai máy nén, thiết bị phụ và phần còn lại được truyền đến chân vịt qua hộp số 2 và hệ trục. 3- Các bộ phận hợp thành của TBNL tuabin khí Thiết bị tuabin khí bao gồm máy nén khí, buồng cháy, tuabin và thiết bị phục vụ. Máy nén được dùng với tuabin khí là loại hướng trục hay ly tâm. (1)- Máy nén Trong thiết bị tuabin khí, máy nén được dùng để nén không khí và nhiên liệu khí. Máy nén được sử dụng là máy nén ly tâm hoặc hướng trục. Để nén nhiên liệu khí có nhiệt trị trên 30.106 J/m3, phải chọn loại máy nén có tổn thất thể tích khoảng 3% thể tích của môi chất. Như vậy, loại máy nén thích hợp chỉ có thể là loại máy nén pittông hay loại máy nén ly tâm có tốc độ quay rất lớn. Máy nén dùng trong thiết bị tuabin khí cần thoả mãn các yêu cầu sau: - Hiệu suất cao. - Độ nén (tỷ số tăng áp) ở từng cấp nén cao. - Có thể làm việc ở tốc độ quay lớn. - Độ sử dụng vật liệu và không gian cao. - Làm việc ổn định trong phạm vi tải và tốc độ của thiết bị tuabin. - Việc điều khiển dễ dàng. Máy nén ly tâm (Xem hình 1.11) làm việc theo nguyên lý ly tâm, nó có cấu tạo đơn giản, hoạt động tin cậy, có thể làm việc ở tốc độ quay cao. Nhược điểm của nó là rôto khó chế tạo và đắt tiền, công suất giới hạn nhỏ. Máy nén ly tâm được dùng trong thiết bị tuabin khí có công suất đến (300¸400) kW. Máy nén hướng trục (Xem hình 1.12) thực hiện sự nén theo nguyên tắc biến động năng thành áp năng trong các dãy cánh công tác và cánh hướng. Do tỷ số nén của mỗi tầng cánh nhỏ hơn so với máy nén ly tâm nên máy nén hướng trục được dùng cho thiết bị tuabin khí là loại máy nén hướng trục nhiều cấp (ở máy nén hướng trục không thể áp dụng làm mát trung gian cho không khí nén). Ưu điểm của máy nén hướng trục là công suất giới hạn lớn, hiệu suất cao. Nó có nhược điểm lớn là kích thước và khối lượng lớn, giá thành cao. Hình 1.11- Máy nén ly tâm Hình 1.12- Máy nén hướng trục (2)- Buồng cháy Buồng cháy là nơi nhiên liệu được phun vào hoà trộn đều với không khí nóng và tự bốc cháy. Buồng cháy cần có kết cấu tạo xoáy để tạo điều kiện cho sự hình thành hỗn hợp nhiên liệu – không khí được tốt. Để sự cháy đạt hiệu quả cao, cần sử dụng hệ số dư lượng không khí a = (1,3¸2,2). Ngoài ra, để đảm bảo nhiệt độ sản phẩm cháy không quá cao, kết cấu buồng cháy còn phải có lối dẫn không khí nén bọc ngoài đến hoà trộn với sản phẩm cháy sau khi ra khỏi khu vực cháy. Buồng cháy của tuabin khí có các loại: buồng cháy hình trụ đơn, buồng cháy ghép (được ghép từ nhiều hình trụ đơn), buồng cháy hình vành khăn. (3)- Tuabin khí Tuabin khí là một loại động cơ nhiệt (có thể gọi là động cơ đốt trong) kiểu rôto, trong đó hoá năng của nhiên liệu (chủ yếu là nhiên liệu lỏng) được biến đổi thành cơ năng nhờ thiết bị quay (rôto) có cánh. Khác với TBNL tuabin hơi, trong TBNL tuabin khí không có nồi hơi, bộ khử khí, bình ngưng tụ và một số bộ phận khác nên TBNL tuabin khí có kích thước và khối lượng nhỏ, trong khi công suất tổ hợp lớn. Kết cấu của tuabin khí đơn giản hơn một ít so với tuabin hơi (số tầng áp lực ít hơn), không có van điều chỉnh. Việc điều chỉnh công suất được thực hiện bằng cách thay đổi lượng nhiên liệu cấp vào buồng đốt. Tuabin làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao nên cần được làm mát. Người ta dùng không khí để làm mát cho tuabin. Hình1.13- Buồng cháy và các tầng cánh của tuabin khí 4- Ưu nhược điểm của TBNL tuabin khí So với các kiểu TBNL khác, TBNL tuabin khí có các ưu điểm sau: - Công suất tổ hợp thiết bị lớn; - Nguyên lý làm việc đơn giản, độ tin cậy cao (nhờ nguyên tắc tác động quay và sự đơn giản của sơ đồ động); - Vận hành thuận tiện, đơn giản trong việc bảo dưỡng, có khả năng khởi động nhanh và tính năng tăng tốc cao; - Chi phí vận hành thấp; - Hiệu suất tương đối lớn [h = (0,32¸0.34)]; - Kích thước và khối lượng nhỏ, diện tích chiếm chỗ và thể tích buồng máy nhỏ; - Có khả năng nghiên cứu hoàn thiện chu trình nhiệt và kết cấu nhằm nâng cao hiệu suất và giảm chi phí nhiên liệu; - Thích nghi tốt với việc tự động hóa và điều khiển từ xa do đơn giản được việc khởi động và điều khiển. Các thiết bị tuabin khí tàu thủy sử dụng nhiên liệu hữu cơ thuộc các thiết bị chu trình hở. Thiết bị tuabin khí chu trình kín được dùng với TBNL nguyên tử. Việc đảo chiều ở thiết bị tuabin khí có thể được thực hiện bằng: tuabin đảo chiều có cấp hành trình lùi; tuabin hành trình lùi độc lập; bộ truyền giảm tốc đảo chiều; bộ truyền đảo chiều thủy lực và điện; chân vịt biến bước; thiết bị đẩy kiểu phụt nước với thiết bị lái đảo chiều. Nhược điểm chung của TBNL tuabin khí là: - Công suất giới hạn nhỏ hơn so với thiết bị tuabin hơi. - Vật liệu chế tạo có giá thành cao. - Tính kinh tế tương đối thấp vì nhiệt độ ban đầu của khí cháy bị giới hạn; - Sự phụ thuộc của độ tin cậy và tính kinh tế của thiết bị tuabin khí chu trình hở vào tác dụng ăn mòn của môi trường ngoài; - Yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng nhiên liệu sử dụng trong thiết bị tuabin khí chu trình hở và chi phí cho nó lớn; - Khó thực hiện việc đảo chiều ở các thiết bị cỡ lớn; - Phải trang bị thiết bị thay đổi tốc độ (hộp số có kích thước lớn, cồng kềnh). - Kích thước ống không khí và khí cháy lớn nên gây phức tạp cho việc ghép bộ thiết bị tuabin khí trên tàu. TBNL tuabin khí được sử dụng trên các tàu cánh ngầm, tàu đệm khí và tàu chuyên dùng. 5- Các hệ thống của TBNL tuabin khí (1)- Hệ thống bôi trơn Hệ thống bôi trơn của thiết bị tuabin khí tàu vận tải có thể là loại có áp và loại trọng lực (tự chảy). Đôi khi để bôi trơn các gối đỡ và hộp giảm tốc bánh răng, người ta sử dụng hệ thống bôi trơn tự chảy, còn để bôi trơn các gối đỡ của tuabin máy nén và thiết bị điều khiển, điều chỉnh và bảo vệ, người ta dùng hệ thống bôi trơn tăng áp. Thực ra, hệ thống này không khác biệt về sơ đồ nguyên lý và các phần tử hợp thành với hệ thống bôi trơn của thiết bị tuabin hơi tàu thuỷ. Trong thiết bị tuabin khí có máy sinh khí kiểu pittông tự do có hai hệ thống bôi trơn độc lập, một là hệ thống có áp dùng cho tổ hợp tuabin và hộp số với năng suất riêng của bơm dầu từ (10÷12) l/MLh, còn hệ thống kia dùng để làm mát cho pittông và các chi tiết chuyển động của máy sinh khí kiểu pittông tự do. (2)- Hệ thống nhiên liệu Hệ thống nhiên liệu được dùng để cấp vào buồng đốt với số lượng yêu cầu và chất lượng thoả đáng. Đối với các thiết bị tuabin khí tàu giao thông hợp lí là sử dụng nhiên liệu có chất lượng thấp – đó là mazut, nó rẻ hơn nhiều so với nhiên liệu điêden, được áp dụng rộng rãi trong các thiết bị sử dụng động cơ đốt trong. Tuy nhiên việc áp dụng loại nhiên liệu nặng trong thiết bị tuabin khí gắn liền với một loạt khó khăn cần phải giải quyết. Mazut có khối lượng riêng lớn và độ nhớt cao, làm phức tạp cho việc thực hiện phun nó có chất lượng cao, do đó việc đốt cháy có hiệu suất cao là khó. Ngoài ra, hàm lượng lớn vanađi, natri, canxi, lưu huỳnh trong mazut làm tích tụ tro và gây ăn mòn trong các phần nó đi qua của tuabin và thiết bị hoàn nhiệt. Khi sử dụng nhiên liệu nặng trong hệ thống nhiên liệu của thiết bị tuabin khí, người trang bị thiết bị bổ sung để đảm bảo việc lọc sạch sơ bộ và sấy nóng nhiên liệu trước khi cấp nó vào buồng đốt. (3)- Hệ thống làm mát Hệ thống làm mát được dùng để làm mát các phần rôto và stato của tuabin khí. Người ta dùng không khí và nước làm môi chất làm mát. Việc làm mát bằng không khí được áp dụng rộng rãi để làm mát các đĩa tuabin, còn nước dùng để làm mát phần không chuyển động của tuabin và vỏ. Chính vì vành đĩa có nhiệt độ cao hơn so với phần tâm [độ chênh nhiệt độ có thể đạt đến (350÷450) 0C] nên vật liệu của đĩa phải chịu ứng suất nhiệt lớn. Nhằm làm đều nhiệt độ đĩa theo hướng kính từ hai phía, người ta dùng không khí trích từ các cấp của máy nén hoặc từ bộ hoàn nhiệt để làm mát đĩa tuabin. (4)- Hệ thống điều khiển, điều chỉnh và bảo vệ Hệ thống điều khiển, điều chỉnh và bảo vệ hợp nhất thành một tổ hợp thống nhất với hệ thống bôi trơn nhiên liệu và làm mát, tạo khả năng thực hiện việc điều khiển và điều chỉnh tự động thiết bị tuabin khí từ trạm điều khiển trung tâm (tập trung) hoặc từ đài chỉ huy, còn trong trường hợp cần thiết thì có thể điều khiển thiết bị bằng tay. Trong trường hợp chung hệ thống này đảm bảo: - Khởi động thiết bị từ trạng thái nguội và nóng với sự ngắt tải chuyển về chế độ chạy không. - Chuyển đổi từ chế độ này sang chế độ khác trong khoảng thời gian đã cho. - Duy trì các thông số đã định của môi chất công tác đảm bảo phát ra công suất yêu cầu (hoặc chi phí nhiên liệu) ở tất cả các mức tải tính toán. - Bảo vệ thiết bị không bị sự cố, đảm bảo các thông số làm việc không vượt quá giá trị cho phép [nhiệt độ khí vượt quá từ (20÷40) oC, tốc độ quay vượt quá giới hạn (10÷12)%, …]. - Đảo chiều thiết bị tuabin khí chính. I.3.4- THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG nguyên TỬ Thiết bị năng lượng nguyên tử được dùng trên các tàu nguyên tử: tàu ngầm nguyên tử, tàu phá băng nguyên tử, tàu hàng nguyên tử. Ở TBNL nguyên tử, nhiên liệu được sử dụng là Uranium U235, chính là đồng vị của U238 (trong Uranium tự nhiên U238 thì hàm lượng đồng vị U235 chiếm 0,712%). Phản ứng phân rã hạt nhân (phân hạch) U235 được điều khiển xảy ra trong lò phản ứng nhờ sự bắn phá của các nơtron nhiệt và chất kìm hãm tốc độ phản ứng. Nhiệt lượng do phản ứng phân hạch U235 tỏa ra rất lớn, 1 kg U235 khi bị phân hạch tỏa ra một nhiệt lượng lớn hơn 1,5.106 lần khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu hữu cơ. Do vậy, tàu trang bị thiết bị năng lượng nguyên tử cần lượng dự trữ nhiên liệu ở mức thấp nhất, đảm bảo khả năng hoạt động độc lập lớn và vùng hoạt động không hạn chế. 1- Nguyên lý của lò phản ứng hạt nhân Lò phản ứng hạt nhân là thiết bị có thể điều khiển và kiểm soát phản ứng phân hạch để thu được năng lượng nhiệt do phản ứng phân hạch tạo ra. Cấu tạo của lò gồm các bộ phận chủ yếu sau: 1) Bộ phận cấp nhiên liệu hạt nhân để tạo ra sự phân hạch và sinh nhiệt. 2) Bộ phận cung cấp chất làm chậm với chức năng làm giảm tốc độ của các nơtron sinh ra từ phản ứng phân hạch để tạo điều kiện cho phản ứng dây chuyền xảy ra. 3) Bộ phận tải nhiệt với chức năng thu nhiệt sinh ra do phân hạch hạt nhân từ tâm lò phản ứng để chuyển ra bộ phận ngoài. 4) Bộ phận điều khiển để điều chỉnh quá trình phân hạch của nhiên liệu hạt nhân. Nguyên lý của lò phản ứng hạt nhân được thể hiện trên hình 1.14. Hình 1.14- Nguyên lý lò phản ứng hạt nhân Để có phản ứng dây chuyền tự duy trì, ta phải làm thế nào để có ít nhất một nơtron trong số gần 2,5 nơtron (n = 2,5) do một phân hạch cho trước sinh ra có thể tạo ra một phân hạch khác. Cho nên nguyên tắc thiết kế lò là phải làm giảm các quá trình tiêu phí các nơtron không phân hạch sao cho điều kiện nêu trên có thể thỏa mãn. Các quá trình tiêu phí nơtron một cách vô ích có 3 dạng như sau: - Nhiên liệu bắt nơtron mà không phân hạch. - Các vật liệu khác trong lò bắt nơtron. - Các nơtron rò ra khỏi hệ thống lò, không gây được một hiệu ứng nào cả. Ba quá trình này có ảnh hưởng đến sự hoạt động của lò và có thể bị thay đổi đáng kể do thiết kế. Có thể thay đổi sự bắt nơtron không phân hạch của nhiên liệu bằng kích thước và hình dáng của nhiên liệu, bằng năng lượng trung bình của nơtron trong lò hoặc bằng độ làm giàu của nhiên liệu. Mức độ bắt nơtron trong các vật liệu khác phụ thuộc vào số lượng và loại vật liệu được dùng để xây dựng lò. Có thể giảm sự rò các nơtron ra khỏi lò bằng cách tăng kích thước vỏ bọc lò, dùng chất phản xạ làm nhiệm vụ phản xạ các nơtron buộc chúng trở lại lò. Lò thiết kế phải có hệ thống lấy nhiệt trong lò đưa ra ngoài sao cho kinh tế nhất và an toàn nhất. Như vậy là người thiết kế phải lựa chọn các kích thước, các tham số vật lý sao cho lò là tối ưu theo nghĩa tiết kiệm nhiên liệu nhất mà hiệu quả lại lớn nhất. Để làm nhiên liệu có thể lấy urani thiên nhiên trong đó có chứa 0,712% U235, urani làm giàu (có hàm lượng U235 lớn hơn 0,73%), plutoni Pu239, thori Th233. Chất làm chậm [trong các lò phản ứng chạy bằng nơtron chậm hay trung gian (các nơtron đã được làm chậm một phần trước khi bị hấp thụ để phân hạch tiếp)] có thể là graphit, nước nặng D2O, nước thường H2O, berili và berili oxit BeO, các hất hữu cơ, kim loại lỏng, … Chất phản xạ là bất kỳ chất làm chậm nào như graphit, berili, … Ngoài ra còn phải chú ý đến một số yếu tố có tính chất kỹ thuật. Tất cả các lò phản ứng hạt nhân hoạt động ở những mức công suất cao, ngoài nhiệt năng, trong lò còn sản sinh ra một lượng lớn nơtron, các tia g, tia b. Ngay cả khi lò đã bị dập tắt, cường độ phóng xạ của các tia g, tia b vẫn còn lớn do có một lượng lớn sản phẩm phóng xạ trong quá trình phân hạch sinh ra gây ảnh hưởng xấu đến hoạt động sống. Cho nên phần lớn các lò phản ứng đều bọc kín nhiên liệu trong một “vỏ” vật liệu. Vật liệu thường dùng để làm vỏ là: nhôm, thép không gỉ, zicorini. Thứ nữa, để đảm bảo an toàn cho những người làm việc quanh lò phản ứng, ta phải có thêm những vật chắn để tránh các nơtron nhanh cũng như các tia g vì chúng là các bức xạ có khả năng xuyên thấu mạnh, do đó có tác dụng phá hủy mô tế bào mạnh. Như ta đã thấy ở trên, để làm chậm các nơtron nhanh để chúng dễ dàng bị U235 bắt, ta phải dùng loại vật liệu có nguyên tử nhỏ, trong khi để chắn có hiệu quả nhất đối với các tia g lại phải có vật liệu có số khối Z lớn. Do đó, người ta thường dùng một hợp chất gồm chất có Z nhỏ và chất có Z lớn làm vật chắn. Trong một số trường hợp, người ta dùng nhiều lớp chì (Pb) và polyetylen để làm vật chắn, còn trong đa số trường hợp người ta dùng bêtông cho tiết kiệm. Người ta còn dùng loại bêtông đặc biệt là bêtông thông thường có thêm cốt sắt hoặc pha thêm quặng sắt để tăng tỷ trọng và hiệu quả trong việc chắn các tia g (với bề dày trên dưới 1 m). Vì Urani tự nhiên chỉ chứa 0,712% U235 phân hạch nên chỉ sử dụng cho các lò phản ứng hấp thụ nơtron và sử dụng chúng một cách hiệu quả như lò nước nặng hoặc lò phản ứng làm nguội bằng khí và dùng chất làm chậm là than chì. Nước nhẹ có thể dễ điều chế và rẻ tiền nhưng khả năng bắt nơtron lớn nên không thể dùng urani tự nhiên làm nhiên liệu cho lò phản ứng nước nhẹ. Lò phản ứng nước nhẹ dùng nhiên liệu urani được làm giàu lên trên dưới 4% ở dạng oxit urani. Còn Pu thì thích hợp làm nhiên liệu cho lò phản ứng tái sinh nhanh. Để dễ dàng tạo ra phản ứng phân hạch hạt nhân dây chuyền, cần phải hãm bớt nơtron tốc độ cao thành nơtron nhiệt. Như vậy, vật liệu làm chậm nơtron được gọi là chất làm chậm. Chất làm chậm có hai tính chất như sau: + Hấp thụ nơtron hiệu quả. + Giảm tốc độ của nơtron với hiệu suất cao. Vì vậy, vật liệu thích hợp cho chất làm chậm thường là những nguyên tố có số nguyên tử nhỏ. Nước nhẹ (nước thông thường) có hiệu suất làm chậm rất tốt, giá thành rẻ nhưng có nhược điểm là hấp thụ nơtron một cách lãng phí. Nước nặng cũng có hiệu suất làm chậm tốt nhưng không hấp thụ nơtron một cách lãng phí nên có thể nói đây là chất giảm tốc lý tưởng nhưng giá thành cao và khó điều chế. Than chì tuy hiệu suất làm chậm thấp nhưng lại hấp thụ ít nơtron và giá thành tương đối rẻ. Chất thu nhiệt sinh ra trong lò phản ứng và chuyển ra bên ngoài được gọi là chất tải nhiệt. Lò phản ứng nước nhẹ dùng làm chất tải nhiệt là nước nhẹ; lò phản ứng nước nặng dùng chất tải nhiệt là nước nặng; còn lò khí thì sử dụng chất tải nhiệt là khí CO2 hoặc Heli và lò tái sinh nhanh thì dùng chất tải nhiệt là Natri. Chất điều khiển của lò phản ứng có tác dụng điều chỉnh công suất của lò phản ứng (tốc độ phản ứng phân hạch) và có khả năng hấp thụ nơtron. Chất điều khiển được sử dụng phổ biến là boron hoặc cadimi. Bình sinh hơi là thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng để chuyển đổi nước thành hơi nước dưới sức nóng được phát ra từ trung tâm lò phản ứng hạt nhân. Tùy thuộc vào công suất lò phản ứng mà người ta có thể lắp đặt hai, ba hoặc bốn bình sinh hơi. Và cùng với tâm lò phản ứng, bình sinh hơi được gắn kín trong khối lò phản ứng hạt nhân với lớp bảo vệ hai tầng. 2- Sơ đồ nguyên lý và đặc điểm của TBNL hạt nhân (1)- Sơ đồ nguyên lý của TBNL hạt nhân TBNL nguyên tử có lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị sinh nhiệt. Sơ đồ nguyên lý TBNL nguyên tử được thể hiện trên hình 1.15. Như đã đề cập, bản chất của phản ứng dây chuyền là hạt nhân U235 khi được phân rã tạo thành (2¸3) nơtron nhanh thứ cấp mới, chúng có nội năng đến 2 MeV và tốc độ trên . Trong các điều kiện xác định, các nơtron thứ cấp này tạo nên phản ứng phân rã các hạt nhân U235 khác. 31 4 Để nâng cao xác suất phân rã hạt nhân nguyên tử U235, người ta giảm năng lượng các nơtron nhanh trong lò phản ứng đến mức nơtron nhiệt (0,025 MeV) bằng cách làm chậm tốc độ của chúng nhờ chất hãm (chất làm chậm). Để đạt được điều này, người ta tiến hành bao quanh chất đốt bằng chất hãm. Trong TBNL nguyên tử tàu thủy, người ta sử dụng nước nặng làm chất hãm. Cũng có thể dùng graphit và các chất hữu cơ làm chất hãm. 2 11 10 7 6 9 8 5 12 Hình 1.15- Sơ đồ nguyên lý thiết bị năng lượng nguyên tử 1. Vỏ; 2. Thanh kìm hãm phản ứng; 3. Lò phản ứng; 4. Thiết bị trao đổi nhiệt (thiết bị sinh hơi); 5. Tuabin hơi; 6. Hộp số; 7. Chân vịt; 8. Bình ngưng; 9, 10. Bơm; 11. Buồng sinh học Phần thể tích của lò phản ứng, trong đó chứa chất đốt cùng với chất hãm và phản ứng phân rã hạt nhân xảy ra được gọi là vùng hoạt tính. Các lò phản ứng được phân thành: - Loại đồng nhất: chất đốt hạt nhân và chất hãm tạo thành hỗn hợp (dung dịch, hợp kim, huyền phù) đồng nhất; - Loại nhiều pha (dị thể): chất hãm bao quanh khối nhiên liệu hạt nhân. Các lò phản ứng tàu thủy, sử dụng các nơtron nhiệt, có cấu trúc vùng hoạt tính dị thể, có kính phản xạ bao quanh nhằm giảm sự tán xạ các nơtron khỏi vùng hoạt tính. Người ta cũng sử dụng cả các chất vừa làm kính phản xạ, vừa làm chất hãm. Cường độ tỏa nhiệt trong lò phản ứng gắn liền với tốc độ của phản ứng dây chuyền. Muốn điều chỉnh nó, người ta thay đổi cường độ dòng nơtron. Trong các TBNL nguyên tử tàu thủy, nước được dùng vừa là chất tải nhiệt, vừa là chất hãm nơtron, nên lò phản ứng tàu thủy gọi là lò phản ứng kiểu nước - nước. Trong trường hợp này, lò phản ứng đóng vai trò buồng đốt và thiết bị trao đổi nhiệt đóng vai trò của nồi hơi trong TBNL tuabin hơi. Cường độ tỏa nhiệt trong lò phản ứng gắn liền với tốc độ của phản ứng dây chuyền. Muốn điều chỉnh nó, người ta thay đổi lượng nơtron thứ cấp. Trên sơ đồ hình 1.15, hệ thống điều chỉnh tốc độ phản ứng dây chuyền gồm các thanh di động 2 chứa các chất hút nơtron tích cực (cabit bo, thép borua, cađimi). Để gia tăng tốc độ phản ứng, người ta hạ thấp (nhúng sâu) thanh 2 xuống. Hệ thống bảo vệ sự cố gồm có các thanh bảo vệ sự cố, được trang bị để ngừng tức thời phản ứng dây chuyền khi xảy ra sự cố. Nhiệt tỏa ra từ lò phản ứng được chất tải nhiệt (nước, chất lỏng hữu cơ, chất khí, kim loại lỏng) tuần hoàn theo vòng kín, nhờ bơm tuần hoàn 10 mang đến thiết bị trao đổi nhiệt (thiết bị sinh hơi) 4. Nước ở vòng thứ hai nhận nhiệt, do chất tải nhiệt truyền cho, tại thiết bị trao đổi nhiệt 4 và biến thành hơi bão hòa rồi thành hơi quá nhiệt. Hơi quá nhiệt được cung cấp cho tuabin hơi 5, thực hiện quá trình công tác và vòng tuần hoàn như ở TBNL tuabin hơi. Trong trường hợp này, lò phản ứng đóng vai trò buồng đốt và thiết bị trao đổi nhiệt đóng vai trò của nồi hơi trong TBNL tuabin hơi. Khi phản ứng phân rã hạt nhân xảy ra có khoảng chừng 80% năng lượng tỏa ra biến thành nhiệt, còn 20% năng lượng bị thất thoát ở các dạng tia. Các tia này (nơtron và g) có khả năng xuyên thấu lớn và tác động có hại đến quá trình sinh học trong cơ thể con người. Chính vì vậy, tổ hợp gồm lò phản ứng, thiết bị trao đổi nhiệt, trang thiết bị phụ và hệ thống vòng thứ nhất được đặt trong buồng bảo vệ sinh học 11 nhằm hấp thu tất cả các tia đến mức an toàn đối với con người. Buồng sinh học được làm bằng thép, bêtông, nước, cácbit bo. Buồng bảo vệ sinh học làm tăng đáng kể khối lượng của TBNL nguyên tử. (2)- Đặc điểm của TBNL hạt nhân Thiết bị năng lượng hạt nhân có tính độc lập về nhiên liệu rất lớn, viêc gia tăng công suất nhiêt của chúng đi đôi với việc gia tăng vừa phải kích thước và khối lượng của chúng. Nhờ đó mà khả năng nâng cao tốc độ chạy tàu được tạo ra. Khối lượng của thiết bị năng lượng hạt nhân Ghnh lớn hơn khối lượng G của thiết bị năng lượng kiểu thông thường không tính dự trữ nhiên liệu. Sự khác biệt về khối lượng được thể hiện chủ yếu ở khối lượng lớn của lò phản ứng và buồng bảo vệ sinh học, nhưng nó giảm theo mức gia tăng công suất nhiệt của lò phản ứng. Thiết bị hạt nhân ngày càng được chế tạo theo hướng nhỏ gọn dần, đáp ứng yêu cầu đối với tàu vận tải có vùng hoạt động không lớn hoặc dự trữ nhiệt liệu ít và trở nên có triển vọng đối với tàu chạy trên mặt nước với vùng hoạt động lớn, tốc độ cao (tàu phá băng chạy đường dài, tàu dầu cỡ lớn, tàu vận tải) và đặc biệt đối với tàu ngầm, vì rằng nó có thể làm việc mà không cần tiếp xúc với không khí của khí quyển. Các thiết bị như thế làm việc có hiệu quả nhất khi mang tải toàn phần trong thời gian dài, vì rằng khi giảm tải ngắn hạn và dừng đòi hỏi phải loại bỏ phần thừa của nhiệt lượng. Sự bức xạ trong lò phản ứng khiến người ta phải bố trí buồng bảo vệ sinh học và dẫn đến sự cần thiết áp dụng tự động hoá và điều khiển từ xa bằng các cơ cấu được bố trí ngay trong buồng bảo vệ. Trong các thiết bị trao đổi nhiệt và các bơm tuần hoàn của vòng thứ nhất cần phải đảm bảo độ kín tuyệt đối để tránh sự rò rỉ chất tải nhiệt và lan toả chất phóng xạ. Do dầu bôi trơn bị phân huỷ dưới tác dụng của sự chiếu xạ nên các gối đỡ của bơm vòng thứ nhất được bôi trơn hoặc làm mát bằng nước với kiểu ma sát khô, mặc dù điều này dẫn đến việc gia tăng kích thước của bơm. Các máy móc và thiết bị của vòng phóng xạ cần phải được tính toán để làm việc trong suốt thời gian làm việc liên tục của lò phản ứng vì không thể tiến hành sửa chữa trong khi phản ứng đang diễn ra và gặp khó khăn trong thời gian dừng chúng. Cần đặc biệt chú ý đến dự trữ các phần tử dễ bị hư hỏng và quan trọng của thiết bị. Vì nhiệt năng toả ra lớn nên lò phản ứng của thiết bị năng lượng hạt nhân cần được làm mát tin cậy khi chuyển đổi chế độ; trong các thiết bị năng lượng nguyên tử sử dụng tuabin hơi cần phải dự tính việc xả hơi tươi trong bình ngưng. Tính kinh tế của thiết bị năng lượng hạt nhân với tuabin khí gia tăng khi gia tăng nhiệt độ. Khi đảm bảo sự hoàn thiện của lò phản ứng có môi chất làm mát bằng khí và của tuabin khí sẽ tạo điều kiện áp dụng rộng rãi thiết bị tuabin khí hạt nhân trên tàu. Hiện tại chưa nhận biết được những vật liệu có tác dụng bảo vệ ngăn các dòng nơtron và tia gamma ở mức như nhau, vì rằng cơ chế các dạng phóng xạ này khác nhau. Các chất có tính chất bảo vệ tốt là bêtông, nhờ trong nó có chứa hiđrô – là nguyên tố có khả năng làm yếu rất nhiều các nơron nhanh và đồng thời làm yếu các tia gamma hấp thụ. Các nơtron dễ đi qua chì, nhưng bị hãm lại bởi nước và các hợp chất, có chứa nguyên tử hiđrô; khi có sự va chạm của chì với hạt nhân thì nơtron mất đi chừng 1/50 năng lượng của mình, khi có sự va chạm của nguyên tử hiđrô và hạt nhân thì có thể mất hết năng lượng của mình. Nước ngăn chặn tốt các nơtron nhưng bảo vệ tia gama lại xấu. Ngược lại, chì bảo vệ tia gama tốt nhưng làm yếu dòng nơtron xấu. Chính vì vậy, lớp bảo vệ thường gồm một tổ hợp nhiều thành phần. Kích thước và khối lượng lớp bảo vệ tuỳ thuộc vào kết cấu và thể tích mà nó bọc lấy, kích thước lò phản ứng càng lớn thì kích thước và khối lượng lớp bảo vệ càng lớn. (3)- Ưu nhược điểm a)- Ưu điểm - Năng lượng tích trữ trong nguyên tử U235 rất lớn nên không cần lượng dự trữ); - Tàu sử dụng TBNL nguyên tử không hạn chế vùng hoạt động. b)- Nhược điểm - Chế tạo, điều khiển cực kỳ phức tạp; - Phải có những qui trình đặc biệt để chế tạo, dự trữ nhiên liệu; - Người vận hành cần có trình độ cao. 3- Các hệ thống của TBNL hạt nhân Trong TBNL hạt nhân, về nguyên tắc có các hệ thống thuộc về lò phản ứng và các hệ thống khác về nguyên tắc không khác mấy so với các hệ thống của thiết bị tuabin hơi và tuabin khí bình thường. Trong TBNL hạt nhân hai vòng, làm mát bằng nước, có các hệ thống chuyên dùng sau: (1). Hệ thống làm sạch nước vòng thứ nhất Hệ thống làm sạch nước vòng thứ nhất được dùng để loại các sản phẩm ăn mòn và các chất phóng xạ khỏi nước của vòng thứ nhất. (2). Hệ thống làm mát thiết bị hoạt tính vòng thứ nhất Hệ thống làm mát thiết bị hoạt tính vòng thứ nhất được dùng để làm mát bơm tuần hoàn chất tải nhiệt vòng thứ nhất, bộ phận bảo vệ sinh học của lò phản ứng, thiết bị trao đổi nhiệt, lọc của hệ thống làm sạch nước vòng thứ nhất và các trang thiết bị khác, đòi hỏi phải làm mát và được bố trí gần với lò phản ứng. (3). Hệ thống làm mát phụ (làm nguội phần tử toả nhiệt khi lò phản ứng ngừng hoạt động) Sau khi dừng lò phản ứng, nhiệt lượng tiếp tục toả ra bên trong phần tử toả nhiệt do sự phân rã các sản phẩm phóng xạ của sự phân hạch. Sau khi dừng thiết bị trực tiếp, phần nhiệt còn lại tiếp tục toả ra chiếm chừng 2% công suất nhiệt của lò phản ứng, ở cuối ngày thứ nhất chừng 1%, qua một tháng chừng 0,1%. Để giữ cho phần tử toả nhiệt không bị nóng chảy do sự toả nhiệt này, vùng hoạt tính của lò phản ứng cần được làm mát. Nhằm mục đích này, người ta trang bị hệ thống làm mát phụ chuyên dùng, có liên quan tới phần tử cơ bản và được đưa vào làm việc một cách tự động khi dừng lò phản ứng và trong trường hợp sự cố Chất giải nhiệt cho lò phản ứng hạt nhân có thể là nước nhẹ, nước nặng, không khí, các dung dịch hữu cơ, CO2, khí Heli, Natri lỏng, … Các lò phản ứng hạt nhân sử dụng trên các hạm tàu chủ yếu là loại lò PWR với chất làm mát và chất hãm là nước nhẹ. Nó có các ưu nhược điểm sau: + Ưu điểm: - Nước là chất hãm cực kỳ tốt - Trao đổi nhiệt nhanh, hiệu quả, nhiệt dung riêng thể tích lớn. - Chi phí thấp - Không bắt lửa và không hấp thụ bức xạ có hại - Có khả năng bôi trơn và dễ dàng bơm chuyển - Không bị đóng băng - Có khả năng hòa tan một số sản phẩm phân rã. + Nhược điểm: - Có thể tác động ngược và tạo ra một số phản ứng hóa học đối với nhiên liệu urani trong một vài điều kiện nhất định - Ở nhiệt độ cao có thể làm ảnh hưởng đến chất phủ thanh nhiên liệu và một số vật liệu cấu tạo lò phản ứng. - Nước phải được điều áp để duy trì trạng thái lỏng ở nhiệt độ trên 2120F (117,70C), điều này đòi hỏi hệ thống luôn phải duy trì nhiệt độ thích hợp. (4). Hệ thống điều hoà thể tích của lò phản ứng nước – nước có áp Hệ thống điều hoà thể tích của lò phản ứng nước – nước có áp được dùng để khắc phục sự sôi nước trong vùng hoạt tính, có thể xuất hiện khi giảm áp suất trong lò phản ứng, do sự gia tăng chi phí hơi trong vòng thứ hai. (5). Hệ thống loại bỏ chất thải Hệ thống loại bỏ chất thải được dùng để thu góp và loại bỏ các chất khí, chất lỏng phóng xạ và các chất thải rắn. Không khí, váng bụi (gỉ) và bụi ở gần lò phản ứng bị mang tính phóng xạ (bị hoạt hoá); các sản phẩm có tính phóng xạ được thu góp lại trong các lọc cơ học, trong các phần nhựa của lọc trao đổi ion; các dụng cụ, quần áo bảo vệ, vỏ bọc, vải che cũng bị nhiễm bẩn. Các phần tử của hệ thống bao gồm cả thùng thu góp, các thiết bị để làm sạch (thiết bị làm sạch khí, các lọc cơ học và trao đổi ion, thiết bị bay hơi, …), thiết bị để rửa, thiết bị để làm loãng khí và chất lỏng hoạt tính đến mức an toàn về mặt phóng xạ và cuối cùng là thiết bị để loại bỏ chất thải có tính phóng xạ khỏi tàu. (6). Hệ thống tiêu nước và bảo quản nước hoạt tính Hệ thống tiêu nước và bảo quản nước hoạt tính được dùng để thu góp và bảo quản chất tải nhiệt hoạt tính của vòng thứ nhất khi thay thế nó, môi chất làm mát của hệ thống làm mát thiết bị hoạt tính của vòng thứ nhất cũng như thu góp nước có thể rò rỉ và nước dùng để khử nhiễm xạ. 4- Tính kinh tế của TBNL hạt nhân Tính kinh tế của TBNL hạt nhân được đánh giá bằng tỷ số giữa công có ích của thiết bị Qsd với công suất nhiệt của lò phản ứng Qpư, tính cùng đơn vị đo. Hiệu suất của TBNL hạt nhân phụ thuộc chủ yếu vào hiệu suất của thiết bị tuabin và năng lượng tương đối chi phí cho việc tuần hoàn chất tải nhiệt. Hiệu suất thiết bị tuabin phụ thuộc vào độ giáng nhiệt của môi chất công tác, đặc biệt phụ thuộc vào nhiệt độ giới hạn trên của nó, và khi các thông số được đảm bảo bởi lò phản ứng nước-nước có áp suất và lò phản ứng nước-nước hiện đại thì hiệu suất của TBNL hạt nhân chiếm chừng . Chi phí năng lượng để làm lưu động chất tải nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất .