Tuabin khí là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa tuabin khí

Tuabin khí (gas turbine) là một thiết bị cơ học chuyển đổi năng lượng từ dòng khí nóng có áp suất cao thành năng lượng quay để tạo công. Khí nóng này được tạo ra bằng cách đốt nhiên liệu, thường là khí thiên nhiên hoặc nhiên liệu lỏng, trong một buồng đốt, sau đó khí sẽ giãn nở qua các tầng cánh tuabin làm quay trục cơ khí.

Tuabin khí thuộc nhóm động cơ nhiệt hoạt động theo nguyên lý chuyển đổi năng lượng hóa học sang cơ năng thông qua quá trình nén – đốt cháy – giãn nở. Ứng dụng của tuabin khí phổ biến trong phát điện, hàng không, công nghiệp dầu khí và truyền động cơ khí.

Các đặc điểm nổi bật của tuabin khí gồm: hiệu suất cao khi vận hành kết hợp, thời gian khởi động nhanh, khả năng làm việc với tải thay đổi và kích thước nhỏ gọn so với công suất đầu ra.

Nguyên lý hoạt động

Tuabin khí vận hành theo chu trình nhiệt động học Brayton, gồm ba giai đoạn cơ bản: nén khí, đốt nhiên liệu và giãn nở khí nóng trong tuabin. Không khí từ môi trường được nén đến áp suất cao, sau đó được đưa vào buồng đốt, nơi nhiên liệu được phun và đốt cháy tạo dòng khí nóng. Dòng khí nóng này sẽ giãn nở qua tuabin, làm quay trục nối với máy phát hoặc cơ cấu tải.

Chu trình lý tưởng của tuabin khí có thể biểu diễn hiệu suất nhiệt như sau:

$\eta = 1 - \left( \frac{1}{r_p} \right)^{\frac{\gamma - 1}{\gamma}}$, với $r_p$ là tỷ số nén và $\gamma$ là tỷ số nhiệt riêng (khoảng 1.4 với không khí khô).

Để tăng hiệu suất thực tế, nhiều hệ thống tuabin hiện đại sử dụng các kỹ thuật như làm mát khí nạp, hồi nhiệt, hoặc kết hợp với chu trình hơi nước để tận dụng nhiệt thải.

Các thành phần chính của tuabin khí

Tuabin khí gồm ba bộ phận chính: máy nén khí, buồng đốt và tuabin. Không khí từ môi trường được hút vào máy nén ly tâm hoặc trục, nơi áp suất khí tăng lên đáng kể. Sau đó, khí nén đi vào buồng đốt, nơi nó kết hợp với nhiên liệu được phun bằng vòi phun áp lực cao, quá trình cháy xảy ra ở áp suất gần như không đổi.

Khí nóng sinh ra từ buồng đốt sẽ đi qua các tầng cánh của tuabin. Các cánh tuabin được thiết kế đặc biệt để chịu được dòng khí có nhiệt độ trên 1400°C, tốc độ dòng lớn và áp suất cao. Khi khí nóng giãn nở qua tuabin, nó truyền động năng làm quay trục máy và sinh công. Một phần công được dùng để quay máy nén, phần còn lại có thể dùng để phát điện hoặc truyền động cơ khí.

Sơ đồ đơn giản về cấu tạo chính:

Bộ phận	Chức năng
Máy nén	Tăng áp suất không khí trước khi đốt cháy
Buồng đốt	Trộn nhiên liệu và đốt để tạo khí nóng
Tuabin	Nhận năng lượng từ khí nóng để sinh công
Trục chính	Kết nối các bộ phận, truyền động ra tải hoặc máy phát

Phân loại tuabin khí

Tuabin khí có thể phân loại theo nhiều tiêu chí: mục đích sử dụng, cấu trúc hoặc nguyên lý vận hành. Về mặt ứng dụng, tuabin được chia làm ba nhóm chính:

• Tuabin công nghiệp: dùng trong phát điện, truyền động cơ khí, máy nén khí, tàu thủy
• Tuabin hàng không: là nền tảng cho động cơ phản lực như turbojet, turbofan, turboprop
• Tuabin quân sự và tàu chiến: sử dụng cho tàu khu trục, tàu hộ vệ tốc độ cao

Về cấu trúc, có thể chia thành:

• Tuabin trục ngang: dòng khí đi song song với trục quay, thông dụng trong phát điện
• Tuabin trục đứng: hiếm hơn, chủ yếu dùng trong thiết bị đặc biệt

Một số tuabin hiện đại tích hợp công nghệ chu trình kết hợp (combined cycle), trong đó tuabin khí kết hợp với tuabin hơi để nâng cao hiệu suất tổng thể. Sơ đồ vận hành sẽ gồm tuabin khí sinh công chính, còn khí thải nóng sẽ đun nước tạo hơi cho tuabin hơi phía sau.

Hiệu suất và công suất phát điện

Tuabin khí hiện đại có hiệu suất vận hành ở mức 35%–40% trong chế độ độc lập và có thể đạt tới 60%–64% khi kết hợp với chu trình hơi nước trong các hệ thống chu trình hỗn hợp (combined cycle power plants). Hiệu suất này phụ thuộc chủ yếu vào tỷ số nén khí, nhiệt độ đầu vào tuabin, thiết kế cánh tuabin và hiệu quả của hệ thống làm mát.

Công suất phát điện của tuabin khí dao động từ vài megawatt (MW) trong các tổ máy nhỏ đến trên 500 MW với các dòng công nghiệp hạng nặng. Dưới đây là bảng so sánh một số dòng tuabin tiêu biểu:

Model	Hãng	Công suất tối đa (MW)	Hiệu suất chu trình hỗn hợp (%)
9HA.02	GE	571	63.7
SGT5-8000H	Siemens Energy	400	61.5
M501JAC	Mitsubishi Power	450	64.0

Hiệu suất tuabin có thể tăng lên nhờ các biện pháp kỹ thuật như phun nước vào khí nạp (wet compression), tái nhiệt hoặc sử dụng buồng đốt dạng lean-premixed để giảm nhiệt độ cháy cục bộ và tăng độ bền vật liệu.

Ưu điểm và nhược điểm

Tuabin khí mang lại nhiều lợi ích đáng kể so với các công nghệ phát điện khác, đặc biệt là khả năng khởi động nhanh, hiệu suất cao khi kết hợp với chu trình hơi, và chi phí đầu tư linh hoạt. Các ưu điểm cụ thể gồm:

• Thời gian khởi động nhanh (5–15 phút đến full load)
• Hiệu suất cao khi hoạt động trong chu trình hỗn hợp
• Kích thước nhỏ, dễ tích hợp vào các nhà máy hiện hữu
• Giảm phát thải NOx và CO₂ so với đốt than

Tuy nhiên, tuabin khí cũng có một số hạn chế:

• Hiệu suất thấp nếu vận hành đơn lẻ, không tận dụng nhiệt thải
• Chi phí bảo trì cao do nhiệt độ làm việc khắc nghiệt
• Phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, dễ biến động giá thành
• Yêu cầu cao về vật liệu chịu nhiệt và kỹ thuật điều khiển cháy

Ứng dụng trong công nghiệp và năng lượng

Tuabin khí là thành phần cốt lõi trong các nhà máy điện chu trình hỗn hợp hiện đại, nơi nó cung cấp công suất nền lớn với hiệu suất cao. Chúng cũng được dùng trong nhà máy điện nhỏ cấp khu công nghiệp, nhà máy hóa dầu, trạm bơm khí, tàu chiến và ngành hàng không.

Ứng dụng cụ thể:

• Phát điện: tổ máy kết hợp tuabin khí – hơi (CCGT)
• Hàng không: động cơ phản lực, turbofan, turbojet
• Truyền động cơ khí: bơm nước áp lực cao, máy nén khí, giàn khoan ngoài khơi
• Quốc phòng: động cơ tuabin cho tàu khu trục, tàu hộ vệ

Ngoài ra, nhờ tính cơ động cao, các tổ máy tuabin khí còn được sử dụng như nguồn điện dự phòng hoặc cấp phụ tải đỉnh trong lưới điện quốc gia.

Xu hướng công nghệ và cải tiến

Các nhà sản xuất lớn như GE, Siemens, Mitsubishi Power đang không ngừng cải tiến thiết kế tuabin để tăng hiệu suất, giảm phát thải và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Một số hướng phát triển công nghệ chủ đạo:

• Vật liệu mới: hợp kim siêu chịu nhiệt (superalloys), gốm composite, lớp phủ cách nhiệt
• Tối ưu luồng khí: khí động học 3D cho cánh tuabin, giảm tổn thất năng lượng
• Đốt hydrogen: thay thế khí thiên nhiên bằng hydrogen xanh để đạt mục tiêu phát thải ròng bằng 0
• Giám sát số: cảm biến nhiệt – áp lực – dao động kết hợp AI để dự đoán hư hỏng

Các dòng tuabin khí mới hiện có khả năng đốt đến 50% H₂ trộn trong khí thiên nhiên mà không cần thay đổi cấu trúc lớn. Trong tương lai, các tuabin hydrogen thuần chủng sẽ đóng vai trò trung tâm trong lưới điện carbon thấp.

Xem thêm tại U.S. Department of Energy – Hydrogen-Fired Turbines.

Tài liệu tham khảo

1. GE Gas Power. GE Gas Turbine Portfolio
2. Siemens Energy. High Efficiency Gas Turbines
3. Mitsubishi Power. M501JAC Series
4. U.S. Department of Energy. Hydrogen Turbine Technology
5. Gas Turbine World. GTW Annual Reports