Trong vận hành tổng thể của nhà máy nhiệt điện, sử dụng nhiệt là yếu tố rất quan trọng tác động lớn đến vấn đề tiết kiệm năng lượng. Nguyên lý hoạt động cơ bản và những biện pháp chính nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt đối với nhà máy nhiệt điện đã được khái quát tại bài báo này, đồng thời một số khuyến nghị thực tế đối với các nhà máy nhiệt điện đang hoạt động trong hệ thống điện Việt Nam đã được đưa ra để xem xét, vận dụng một cách tối ưu.  

1. Tổng quan về hệ thống nhiệt trong nhà máy nhiệt điện

Trong nhà máy điện tua bin hơi, nhiên liệu được đốt trong lò hơi để chuyển hóa thành nhiệt.  Nước nhận nhiệt của ngọn lửa do cháy nhiên liệu và của dòng khói để sôi và bay hơi. Hơi bão hoà sinh ra được đưa lên bộ quá nhiệt tiếp tục nhận nhiệt và tăng nhiệt độ trở thành hơi quá nhiệt. Hơi quá nhiệt ra khỏi bộ quá nhiệt được dẫn sang tua bin bằng đường ống. Trong tua bin, hơi có nhiệt độ và áp suất cao giãn nở sinh công rồi thoát vào bình ngưng. Hơi thoát sau đó sẽ được làm mát bằng nước sông, nước biển hoặc bằng không khí để ngưng tụ lại thành nước ngưng. Tiếp đó nước ngưng tụ được bơm vào lò hơi để lặp lại chu trình nhiệt. Nguyên lý hoạt động nói trên tuân theo chu trình mang tên Rankine.

Sơ đồ nhiệt nguyên lý của 1 tổ máy nhiệt điện tua bin hơi nước 300MW được thể hiện trong hình vẽ dưới đây.

                                  Hình 1. Sơ đồ nhiệt nguyên lý của tổ máy 300MW

Trong các nhà máy nhiệt điện đốt than tại Việt Nam, phần lớn được trang bị các tổ máy công suất 300MW, sử dụng hơi nước thông số cao áp và cận tới hạn. Trong mấy năm trở lại đây,  các nhà máy nhiệt điện mới hầu như trang bị các tổ máy công suất lớn (500MW, 600MW) với cấp thông số hơi cận tới hạn hoặc siêu tới hạn. Các nhà máy nhiệt điện Thái Bình 2, Vũng Áng 1, Vĩnh Tân 2… dùng tổ máy gam công suất 600MW, thông số hơi cận tới hạn. Nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 4 dùng tổ máy gam công suất 600MW, thông số hơi siêu tới hạn.

Hiệu suất nhiệt của tổ máy

Hiệu suất nhiệt của tổ máy nhiệt điện được định nghĩa là tỷ lệ phần trăm được xác định bằng lượng điện năng sản xuất ra chia cho năng lượng của nhiên liệu đầu vào. Năng lượng nhiên liệu có thể được xác định thông qua giá trị nhiệt trị cao (HHV) hoặc nhiệt trị thấp (LHV). HHV sẽ cao hơn LHV khoảng (5-10)%.

Hiệu suất nhiệt của toàn bộ quá trình sản xuất điện năng ở một tổ máy nhiệt điện sử dụng tua bin trích hơi gia nhiệt hồi nhiệt theo chu trình Rankine được tính như sau:

h_{tổ máy}  = h_LH.h_tt.h_oi(TB).h_t,R(TB).h_m.h_g = h_LH.h_tt.h_TB

Trong đó:

• h_LH là hiệu suất nhiệt của lò hơi, nếu được xác định theo phương pháp cân bằng nghịch thì: h_LH = 100% - q₂ - q₃ - q₄ - q₅ - q₆ với các q_i là các thành phần tổn thất nhiệt ở lò hơi.
• h_tt là hiệu suất truyền tải môi chất trên toàn bộ sơ đồ đường ống của nhà máy được quy về là tổn thất nhiệt trên đường hơi mới từ lò hơi sang tuabin. Hiệu suất này phụ thuộc vào lượng rò rỉ môi chất khỏi sơ đồ, nhiệt độ môi chất rò rỉ và nhiệt độ bảo ôn đường ống.
• h_TB = h_oi(TB).h_t,R(TB) là hiệu suất của thiết bị tua bin, bao gồm: hiệu suất trong của riêng tua bin là h_oi(TB) và hiệu suất nhiệt động học của chu trình nhiệt h_t,R(TB).
• h_m là hiệu suất cơ khí của tổ tua bin - máy phát.
• h_g là hiệu suất của máy phát điện.

Hiệu quả kinh tế vận hành của một tổ máy nhiệt điện phụ thuộc chủ yếu vào các thành phần hiệu suất kể trên. Trong đó giá trị về hiệu suất chu trình Rankine h_t,R(TB) ảnh hưởng mạnh nhất đến hiệu quả chung của toàn tổ máy.

Ngày nay, những tổ máy công suất lớn có thông số hơi mới trên tới hạn hoặc siêu trên tới hạn với số bình gia nhiệt hồi nhiệt hợp lý và thông số quá nhiệt trung gian phù hợp có thể đạt được hiệu suất nhiệt động học của chu trình Rankine lên đến h_t,R(TB) = 0,50 ¸ 0,55 và do đó đạt được hiệu suất nhiệt của thiết bị tua bin h_t,R(TB) = 0,426 ÷ 0,478, đối với toàn tổ máy sẽ đạt được htổ máy  = 0,39 ¸ 0,44.

2. Nâng cao hiệu suất nhiệt nhà máy nhiệt điện

Đối với các nhà máy nhiệt điện đang vận hành, các giải pháp sau đây có thể áp dụng toàn bộ hoặc một phần nhằm tối ưu sử dụng nhiệt, nói cách khác nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt hay giảm suất tiêu hao nhiệt của nhà máy. Hầu hết các biện pháp này đã được chứng minh trong thực tế tại các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam cũng như trên thế giới.

- Lò hơi và các thiết bị phụ: duy trì lượng không khí thừa tối ưu, điều chỉnh tối ưu tỷ lệ các cấp gió; sử dụng phụ gia tăng cường hiệu suất quá trình cháy nhiên liệu; tăng cường giám sát, đánh giá và cắt giảm tối đa rò rỉ nước, hơi và rò lọt không khí, khói; trang bị hệ thống phun thổi bụi thông minh; áp dụng tận dụng nhiệt nguồn nhiệt độ thấp để sấy than sơ bộ (nếu có thể)…

- Nâng cấp, cải tiến các tua bin cũ, tăng cường công tác bảo dưỡng sửa chữa: bám cáu trên cánh tua bin, tiết diện phần chuyền dòng, mòn chi tiết chèn, mòn cánh, rò lọt hơi, v.v, là những vấn đề cần thiết phải khắc phục kịp thời để nâng cao hiệu suất trong của chính tua bin. Có tới 50% tổn thất ở bản thân tua bin chính là do rò lọt hơi tại các bộ phận chèn trục và chèn đỉnh cánh. Cải tiến (ví dụ thay thế cánh tua bin có công nghệ thiết kế chế tạo mới đạt hiệu suất cao hơn) hay nâng cấp tua bin cũ cũng là biện pháp có thể đạt được thêm (1 ¸ 3)% về hiệu suất của nó, tùy theo hiện trạng.

- Vận hành hiệu quả hệ thống nước làm mát bình ngưng, tháp làm mát:

Hiệu quả truyền nhiệt tại bình ngưng phụ thuộc trực tiếp và rất nhiều chủ yếu là vào cáu bám và lọt khí không ngưng. Qua đó sẽ có ảnh hưởng rất mạnh và nhậy cảm tới hiệu suất chu trình. Vận hành cần kiểm soát tốt tốc độ bám và đóng cáu trong ống bình ngưng cũng như lọt khí vào hệ thống chân không phía cuối tua bin hạ áp và tại bình ngưng. Độ chênh áp suất giữa 2 hộp nước vào/ra khỏi bình ngưng là thông tin quan trọng nhận biết mức độ bám cáu và tắc nghẽn hay thủng ống bình ngưng. Kiểm soát thường xuyên độ lọt khí vào hệ thống chân không bình ngưng thông qua việc kiểm soát độ quá lạnh nước ngưng và lưu lượng hỗn hợp khí-hơi ra sau bộ hút khí (Ejectors).

Điều chỉnh duy trì độ chân không bình ngưng, những nguyên nhân làm giảm độ chân không bình ngưng, những phương thức duy trì độ chân không, số bơm tuần hoàn đưa vào làm việc, kiểm soát lọt khí và sự hình thành phát triển cáu trong ống bình ngưng, v.v., là những vấn đề cần cân nhắc đối với nhiệm vụ vận hành thiết bị bình ngưng nói riêng và hệ thống tuần hoàn nói chung.

- Tối thiểu hoá tiêu thụ điện tự dùng: tăng cường sử dụng các thiết bị tiết kiệm điện cho động cơ tiêu thụ điện tự dùng, ví dụ như lắp biến tần, đặc biệt chú ý tới các thiết bị thường phải chạy non tải.

 Những tổ máy phải vận hành thay đổi tải khá thường xuyên thì việc lắp thiết bị điều chỉnh lưu lượng bằng thay đổi tốc độ (biến tần hoặc khớp nối thủy lực) cho bơm cấp sẽ có lợi ích tiết kiệm điện rất lớn. Đối với những tổ máy cỡ 300MW vẫn nên ưu tiên dùng bơm cấp chạy điện có biến tần hơn so với bơm cấp chạy bằng tua bin phụ. Ngày nay, với việc chế tạo được các biến tần cỡ lớn, cộng thêm những cải tiến nhất định đã đạt được đối với tua bin hạ áp nên những tổ máy tới 600MW thậm chí vẫn chấp nhận được độ kinh tế vận hành khi dùng bơm cấp chạy điện với biến tần so với dùng bơm cấp chạy bằng tua bin phụ.

- Vận hành tổ máy ở áp suất thấp khi chạy non tải (vận hành theo thông số trượt):

 Đối với tổ máy thường phải thay đổi phụ tải và chạy ở tải thấp, điều chỉnh để chạy ở chế độ áp suất hơi mới có giá trị phù hợp, thấp hơn áp suất định mức. Tuy nhiên, ở chế độ phụ tải nào thì cần duy trì áp suất ở giá trị bao nhiêu là một vấn đề cần được tính toán tối ưu theo hiệu suất sơ đồ nhiệt và theo khả năng điều chỉnh cho phép của tổ máy đó nhằm dự phòng tốt khi có yêu cầu phải thay đổi tải tiếp. Bằng cách giảm áp suất hơi mới ở giá trị xác định ứng với phụ tải đang phát ở giá trị tương ứng như trên sẽ giúp cắt giảm tổn thất năng lượng do tiết lưu lớn ở van điều chỉnh hơi vào tuabin và cắt giảm tiêu thụ hơi tự dùng cho tua bin phụ hoặc điện tự dùng cho bơm cấp.

- Tăng cường thiết bị đo lường, điều khiển hiện đại có sự hỗ trợ tối ưu các quá trình vận hành bằng máy tính;

- Cải tạo, nâng cấp hoặc lắp mới các hệ thống thiết bị đo lường điều khiển tối ưu, giám sát hiệu suất theo thời gian thực.

- Tăng cường nâng cao nhận thức cho người vận hành và người quản lý vận hành về những yếu tố gây ảnh hưởng tới sự suy giảm hiệu suất tổ máy.

- Tăng cường sử dụng kết hợp năng lượng mặt trời: trang bị hệ thống pin năng lượng mặt trời hoặc hệ thống nhiệt mặt trời.

- Áp dụng hệ thống quản lý năng lượng nhằm đạt được sự cải thiện liên tục và bền vững của hiệu suất năng lượng toàn nhà máy. Nhà máy nhiệt điện có thể áp dụng các mô hình khác nhau trong quá trình xây dựng hệ thống quản lý năng lượng. Tuy nhiên với qui mô lớn và hệ thống thiết bị phức tạp, tiêu chuẩn hệ thống quản lý năng lượng ISO 50001:2018 là sự lựa chọn tối ưu.

3. Khuyến nghị đối với các nhà máy nhiệt điện đang vận hành trong hệ thống điện Việt Nam

Quản lý vận hành nhằm duy trì và nâng cao hiệu suất nhiệt nhà máy là đòi hỏi tự thân nhưng cũng là trách nhiệm của các nhà máy nhiệt điện. Các chỉ số hiệu quả năng lượng (suất tiêu hao nhiệt, suất tiêu sao nhiên liệu) cũng đồng thời là các chỉ số đánh giá chất lượng quan trọng. Do vậy chỉ số hiệu suất nhiệt chắc chắn nhận được sự quan tâm lớn của cả lãnh đạo cấp cao cũng như nhân viên các nhà máy nhiệt điện. Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm & hiệu quả cũng đã qui định rõ nghĩa vụ, trách nhiệm của các cơ sở sản xuất năng lượng, trong đó có các nhà máy nhiệt điện trong việc đảm bảo các thông số hiệu quả năng lượng theo yêu cầu.

Nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt cũng như tuân thủ đúng các yêu cầu pháp luật, các nhà máy nhiệt điện có thể xem xét một số khuyến nghị sau:   

- Lãnh đạo cấp cao: sự vào cuộc của lãnh đạo cấp cao nhà máy là yếu tố then chốt để hình thành, thúc đẩy và duy trì sự cải tiến liên tục, bền vững quá trình cải thiện hiệu suất nhiệt của nhà máy. Sự cam kết của lãnh đạo cấp cao thể hiện thông qua việc ban hành chính sách năng lượng, hình thành cơ cấu tổ chức về năng lượng cũng như cam kết dành các nguồn lực cần thiết để triển khai các hoạt động.

- Đào tạo, tập huấn: nhằm nâng cao nhận thức cũng như sự hiểu biết của cán bộ, nhân viên về các hoạt động, biện pháp nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng. Hoạt động đào tạo cần thiết phải thực hiện sớm và đầu tiên.

- Theo dõi, đánh giá: xây dựng và áp dụng các qui trình, bộ chỉ số, các hệ thống thiết bị đo đếm phục vụ theo dõi và đánh giá hiệu quả năng lượng.

- Xây dựng các giải pháp, dự án nâng cao hiệu suất nhiệt nhà máy. Lộ trình thực hiện thường bắt đầu từ các biện pháp giảm tổn thất, lãng phí năng lượng, các biện pháp hiệu quả năng lượng không cần chi phí đầu tư hoặc đầu tư nhỏ. Tiếp đó là thực thi các giải pháp yêu cầu đầu tư trung bình và lớn.

- Xem xét áp dụng hệ thống quản lý năng lượng theo tiêu chuẩn ISO 50001:2018./.

ThS. Bùi Thanh Hùng – ĐHBK Hà Nội

và Hội KH&CN sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả Việt Nam

Tài liệu tham khảo:

[1] Nguyễn Văn Mạnh, Bùi Thanh Hùng, Phạm Văn Tân, Đỗ Mạnh Hùng và các cộng sự. Sổ tay Tiết kiệm năng lượng trong nhà máy nhiệt điện. Báo cáo nhiệm vụ Bộ Công Thương 2014.

[2] Jie Xiong, Haibo Zhao, Chao Zhang, Chuguang Zheng, Peter B. Luh. Thermoeconomic operation optimization of a coal-fired power plant. Energy 42 (2012).

[3] Mr. Santosh Mahadeo Mestry. Major energy saving potential in thermal power plant & effective implementation of EC Act 2001 in Power Sector. Reliance Energy.

[4] Tài liệu vận hành nhà máy nhiệt điện Phả Lại, Uông Bí, Hải Phòng, Mông Dương 2