Nhà máy phát điện và nhiệt kết hợp kiểu mới (CHP-Combined heat and power)

Công ty Điện lực E.ON (UK) đang xây dựng một nhà máy phát điện và nhiệt kết hợp (CHP) chạy bằng khí tại Isle of Grain (Vương quốc Anh), nhiệt thải từ bình ngưng sẽ được cấp cho trạm khí tự nhiên hóa lỏng (LNG) gần đó. Thường thì nhiệt lượng này không thể thu hồi được một cách kinh tế do nhiệt độ thấp. Bài báo này giải thích nguyên lý làm việc của nhà máy mới này, mà theo E.ON, đó sẽ là một trong số những nhà máy CHP lớn nhất và có hiệu suất cao nhất châu Âu.

Công ty điện lực khổng lồ E.ON đang xây dựng nhiều nhà máy điện, giúp cung cấp công suất nguồn mới cho nước Anh, trong đó có một nhà máy CHP chạy khí, công suất 1275 MW, ở Isle of Grain thuộc vùng Kent. Đây là một phần trong kế hoạch của công ty về xây dựng 18 nhà máy trong vòng 5 năm tới với tổng công suất nguồn là 13,5 GW. Nhà máy nằm trong chương trình đầu tư chiến lược của công ty cho tới cuối năm 2010, trị giá 60 tỷ euro (khoảng 85 tỷ USD). Động lực của chiến lược tăng trưởng này của E.ON một phần là do nhu cầu điện năng ở Anh tăng liên tục và sắp tới đây quốc gia này sẽ đóng cửa nhiều nhà máy điện cũ, ví dụ như các nhà máy điện hạt nhân kiểu Magnox và các tổ máy nhiệt điện lớn chạy bằng than hoặc dầu không tham gia các điều khoản của Chỉ thị của Liên minh châu Âu về nhà máy đốt nhiên liệu qui mô lớn (Large Combustion Plant Directive – LCPD). Theo dự kiến tới năm 2020, khoảng 19 GW công suất nguồn sẽ đóng cửa.


Nhà máy nhiệt điện chạy dầu Grain hiện có

Kế hoạch xây dựng nhà máy CHP Grain của tập đoàn E.ON được phê duyệt vào năm 2006 và họ đã ký hợp đồng EPC chìa khoá trao tay với tập đoàn Alstom Power vào tháng 2/2007 về xây dựng ba tổ máy chạy khí công suất 425MW điện. Khoảng 341 MW nhiệt năng thải ra sẽ được thu hồi từ các tổ máy này để sử dụng tại công trình tích trữ LNG và khí hoá trở lại ở gần đó, mang tên Grain thuộc National Grid (Mạng truyền dẫn khí quốc gia).

Nhà máy mới này đang được xây dựng bên sông Medway, trên mặt bằng của nhà máy điện chạy dầu hiện nay của E.ON, cách Rochester khoảng 16 km về phía đông bắc. Nhà máy điện nguyên thuỷ được xây dựng từ thập niên 70 của thế kỷ trước, và ngày nay, hai trong số các tổ máy được E.ON giữ lại để phục vụ nhu cầu phát điện. Tuy nhiên, sản lượng của các tổ máy này chỉ hạn chế ở mức tối đa là 600 GWh/năm. Hiện nay theo lịch trình, các tổ máy này sẽ phải đóng cửa vào cuối năm 2015 theo như yêu cầu của Chỉ thị LCPD.

Nhà máy CHP mới sẽ được xây dựng bên cạnh nhà máy điện nguyên thuỷ và sẽ dùng chung một phần cơ sở hạ tầng, ví dụ như kết cấu cửa nhận nước và thoát nước làm mát và một phần của trạm biến áp 400 kV hiện nay.

Nhà máy lọc dầu lớn của BP trên đảo đã đóng cửa từ năm 1982, nhưng Grain một lần nữa lại đang trở thành nơi thu hút các dự án năng lượng và cơ sở hạ tầng. Ví dụ cảng Thamesport cạnh đó đã trở thành cảng côngtenơ lớn thứ 3 ở Anh.

Công trình lớn về nhập khẩu và tích trữ LNG cũng đang được công ty National Grid Grain LNG Ltd xây dựng. Khi giai đoạn cuối của công trình này hoàn thành vào tháng 11/2010 thì tổng lượng LNG quá cảnh hằng năm sẽ đạt 14,8 triệu tấn. Do nhu cầu khí đốt ở UK được dự báo là sẽ tăng lên ít nhất 15% trong vòng 10 năm tới, và nguồn cung cấp khí đốt nội địa từ thềm lục địa của Anh chắc chắn sẽ suy giảm, thì theo quan niệm chung LNG sẽ càng ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo đáp ứng nhu cầu khí đốt lâu dài cho quốc gia này.

Ngoài ra, Grain cũng được công ty liên doanh giữa Anh và Hà Lan mang tên Britned lựa chọn để xây dựng trạm biến đổi điện công suất 1GW, để kết nối hai nước này qua đường cáp cao áp một chiều dài 260 km đi ngầm dưới đáy biển.

Cảng đầu mối LNG Grain

Cấu hình nhà máy

Cấu hình cơ bản của nhà máy Grain CHP bao gồm ba tuabin đơn trục kiểu Alstom KA26-1 trên cơ sở tuabin khí tiên tiến GT26. Mỗi tuyến truyền động đơn trục bao gồm một tuabin khí Alstom GT26 được trang bị hệ thống đốt kiểu trộn trước, nghèo, theo trình tự, khô, ít phát thải NOX, một tuabin hơi gia nhiệt lại ba tầng áp lực, ba xylanh kiểu lắp trên sàn và một máy phát điện chung làm mát bằng hyđro.

Tuabin GT26 sử dụng hệ thống đốt theo trình tự của hãng Alstom. Hệ thống này gồm có một buồng đốt thân thiện với môi trường và một buồng đốt theo trình tự thân thiện với môi trường. Hệ thống áp dụng nguyên lý gia nhiệt lại nhiệt động học cho chu trình khí, nhờ đó tuabin khí có được tính năng cao hơn so với phương pháp thông thường khi đốt ở cùng nhiệt độ.

Sơ đồ vận hành nhà máy CHP Grain

Chu trình nước – hơi sử dụng chu trình gia nhiệt lại ba tầng áp suất tân tiến nhất với một lò sinh hơi thu hồi nhiệt (heat recovery steam generator – HRSG) kiểu trống cho phép tận dụng tối đa năng lượng trong khói thải của tuabin khí. Lò sinh hơi HRSG có thiết kế kiểu dòng khói chạy ngang, sử dụng sự tuần hoàn tự nhiên của nước. Để đáp ứng yêu cầu vận hành tốt ở chế độ tải biến đổi theo chu kỳ, các lò HRSG có một số đặc điểm cơ bản trong thiết kế như là việc áp dụng các dàn ống một hàng, dễ dàng tiếp cận khi hàn, chiều dày các bộ phận biến đổi theo cấp, hệ thống ống thoát nước kiểu cải tiến và bố trí kiểu treo các bộ phận chịu áp lực.

Điện năng từ các máy phát sẽ được tải đi qua các mạch đường dây trên không 400 kV hiện có. Một gian của trạm biến áp National Grid Grain 400 kV hiện có, loại cách điện bằng không khí, sẽ được cải tạo để nhận điện năng từ tổ máy phát đầu tiên. Hai máy phát tiếp theo sẽ nối tới một trạm biến áp 400 kV mới, cách điện bằng chất khí và sẽ được National Grid xây dựng trên mặt bằng của nhà máy điện chạy dầu hiện nay.

Khí tự nhiên sẽ là nhiên liệu chính của tuabin. Không yêu cầu vận hành bằng nhiên liệu lỏng. Như một phần các công việc chuẩn bị, E.ON UK đã ký một số hợp đồng riêng về xây dựng 3,5 km đường ống dẫn khí nối nhà máy CHP với hệ thống truyền dẫn khí cao áp của National Grid tại Isle of Grain.

Khi vận hành ở chế độ CHP đầy tải, ít nhất một nửa nhiệt năng thải ra từ các bình ngưng của nhà máy nhiệt điện sẽ được cung cấp cho công ty Grain LNG Ltd ở dạng nhiệt phẩm cấp thấp để đưa trở lại dạng khí LNG (khí hoá lỏng) được lưu kho ở cảng đầu mối LNG. Trạm này cũng có hệ thống nước làm mát bình ngưng kiểu trực lưu truyền thống, sử dụng nước biển làm môi chất làm mát. Một trạm bơm nước làm mát mới sẽ được xây dựng ngay gần trạm bơm hiện nay, và hai bể điều tiết nước sẽ được nối với nhau bằng đường ống nối liền kiểu xiphông. Trạm bơm nguyên thuỷ Grain trước đây sử dụng một cửa nhận nước ngập dưới lòng sông Medway để hút nước làm mát lên. Với việc nối liền hai bể điều tiết nước như trên, sẽ không cẩn phải xây dựng thêm các công trình biển.

Tình trạng nền đất ở hiện trường nói chung là yếu bởi vì phù sa bồi lắng phủ lên tầng sét London. Vì vậy tất cả các cấu trúc có tải trọng lớn sẽ tựa trên cọc. Theo ước tính cần phải sử dụng tới 3.000 cọc.

Nhà máy CHP sẽ được tự động hoá hoàn toàn để có thể điều khiển tập trung các thiết bị của nhà máy CHP một cách an toàn và tin cậy. Hệ thống tự động điều khiển 800xA của ABB sẽ tạo ra một giao diện người vận hành duy nhất, tập trung và thống nhất cho mọi khu vực trong nhà máy. Hệ thống này, kết hợp với trang thiết bị đo lường thông minh và công nghệ mạng điều khiển phân bố fieldbus, cũng sẽ tạo ra những phương tiện kiểm tra và bảo dưỡng tiên tiến.

Phương pháp khoán gọn

Alstom đã giành được hợp đồng EPC nhà máy CHP. Biên bản ghi nhớ được ký ngày 25/5/2007, và theo dự kiến tổ máy đầu tiên sẽ đi vào vận hành thương mại vào tháng 10/2009, còn tổ máy thứ ba và cũng là tổ máy cuối cùng sẽ được bàn giao vào tháng 1/2010

Bảng tóm tắt các thông số kỹ thuật của dự án
Các thông số Nhà máy Grain LNG

Giai đoạn 1 và 2

Nhà máy Grain LNG

Giai đoạn 1, 2 và 3

Nhiệt cấp tối đa (MW) 227,4 341,1
Nhiệt cấp tối thiểu (MW) 37,9 37,9
Nhiệt độ nước tại cửa nhận nước cho các bộ SCV/quay trở lại (oC) 42,5/15 42,5/15
Lưu lượng nước tối đa (kg/s) 1975 2980
Lưu lượng nước tối thiểu (kg/s) 330 330
Số lượng tối đa thiết bị hóa hơi được sử dụng 6 9

Alstom sẽ thiết kế, cung cấp, lắp đặt và đưa vào vận hành toàn bộ nhà máy, bao gồm các tuabin khí, tuabin hơi, bình ngưng, lò sinh hơi thu hồi nhiệt, máy biến áp tăng áp, hệ thống điều khiển nhà máy, công trình xây dựng và các khâu còn lại của nhà máy.

Thiết kế cuối cùng của nhà máy CHP dựa chủ yếu vào thiết kế nhà máy chuẩn KA26-1 của Alstom với những sửa đổi đã được thoả thuận để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đặc biệt của E.ON. Ưu điểm của cách tiếp cận này là nó cho phép bàn giao một nhà máy với tính năng tối ưu, rút ngắn thời gian lắp đặt và giảm chi phí tổng thể.

Sơ đồ CHP

Khi vận hành ở chế độ chu trình hỗn hợp, các tổ máy CCGT sẽ đạt hiệu suất chu trình hỗn hợp ròng lúc đầy tải rất cao: 58,6%. Ở chế độ CHP, nhà máy sẽ cho phép thu hồi tới 341 MW nhiệt năng từ hệ thống nước làm mát bình ngưng để cung cấp cho nhà máy Grain LNG. Điều này sẽ làm tăng hiệu suất ròng của toàn bộ nhà máy từ 58,6% lên tới 72,6%, đây sẽ là một trong những nhà máy CHP lớn nhất và có hiệu suất cao nhất châu Âu.

Sơ đồ nhà máy CHP Grain khác với hầu hết các sơ đồ CHP truyền thống, theo đó người ta thường sử dụng hơi nước trích từ chu trình hơi để cung cấp nhiệt. Trích hơi nước theo kiểu này sẽ giảm công có ích mà lẽ ra đã có thể sản ra nếu như để giãn nở hoàn toàn trong tuabin hơi. Sơ đồ nhà máy CHP Grain mới lạ ở chỗ nó vẫn giữ được đầy đủ công có ích của tuabin hơi và rồi sau đó khai thác thêm được nhiệt ẩn của sự ngưng tụ hơi hạ áp trong bình ngưng của nhà máy nhiệt điện để thu hồi và cung cấp cho trạm LNG Grain.

Thông thường, một lượng lớn nhiệt thải được thải ra qua hệ thống làm mát bình ngưng nhà máy điện, nhưng nhiệt độ của nhiệt thải này thường không khác mấy so với nhiệt độ môi trường xung quanh nên không thể đem lại bất kỳ lợi ích nào. Tuy nhiên vị trí liền kề với trạmLNG Grain là nơi chứa lượng lớn LNG ở nhiệt độ -160 oC lại tạo ra cơ hội tự nhiên để thu hồi nhiệt thải từ bình ngưng theo kiểu sơ đồ CHP.

Công ty Grain LNG Ltd sử dụng khí tự nhiên làm nhiên liệu trong quá trình hóa hơi để gia nhiệt cho LNG được tích trữ ở đây trước khi nó chảy vào hệ thống truyền dẫn khí quốc gia trong những thời kỳ khi mà giá của hệ thống là có lợi. LNG được tích trữ trong các bồn ở nhiệt độ siêu lạnh và được gia nhiệt bên trong các bộ bốc hơi ngâm trong nước kiểu đốt (submerged combustion vaporizer – SCV). Các bộ SCV này dựa vào sản phẩm cháy của khí đốt để gia nhiệt các bể nước bao quanh chùm ống thép không gỉ có chứa LNG bên trong. Với một hệ thống SCV điển hình, phải tiêu thụ khoảng 1,6% lượng khí được tạo ra trong quá trình hóa hơi. Điều này dẫn tới tổn thất doanh thu, đồng thời phát thải khí CO2 ở dạng sản phẩm cháy.

Các bồn dự trữ ở trạm LNG Grain

Trong quá trình vận hành ở chế độ CHP, hệ thống nước làm mát bình ngưng bằng nước biển kiểu trực lưu sẽ được tách riêng ra. Người ta xả hết nước biển ra khỏi các bình ngưng và nối các bể nước của bộ SCV trong trạm LNG Grain tới các hộp nước bình ngưng của nhà máy điện qua hai ống dẫn đi và về dài 2,5 km, đường kính là 1,4 m. Tất cả sẽ tạo thành mạch kín của nước khử khoáng được tuần hoàn liên tục nhờ các bơm tuần hoàn chuyên dụng. Sơ đồ nước làm mát mạch kín này sẽ làm ngưng tụ hơi nước thoát ra từ tuabin hạ áp (LP) và vận chuyển nhiệt thải thu hồi được tới trạm LNG Grain. Nhiệt này lẽ ra đã bị thải ra sông Medway nếu hệ thống nước làm mát bình ngưng kiểu trực lưu được sử dụng theo cách thông thường.

Nhà máy CHP sẽ được triển khai làm hai giai đoạn. Giai đoạn 1 cung cấp 227 MW nhiệt để đáp ứng các yêu cầu trước mắt cho việc triển khai nhà máy LNG Grain giai đoạn 1 và 2. Giai đoạn 2 sẽ trùng với việc hoàn thành mở rộng giai đoạn 3 nhà máy LNG Grain và sẽ cung cấp tổng cộng 341 MW nhiệt năng thu hồi.

Việc vận hành sơ đồ CHP đòi hỏi phải làm giảm độ chân không trong bình ngưng để đạt được nhiệt độ nước đầu ra bình ngưng là 42oC. Sự chênh lệch lớn về nhiệt độ giữa LNG được tích trữ và nước khử khoáng ra khỏi bình ngưng tạo ra động lực cho việc thu hồi nhiệt thải và cho quá trình truyền nhiệt.

Lượng nhiệt mà trạm LNG Grain yêu cầu sẽ được ấn định từ trước, và lượng nhiệt này sẽ được điều tiết bằng cách điều khiển số lượng bơm tuần hoàn hoạt động và điều chỉnh độ mở của các van điều tiết lưu lượng đầu vào cho mỗi bộ SCV.

Khi triển khai thiết kế hệ thống CHP, E.ON đã gặp phải một số thách thức đáng chú ý về mặt môi trường và công nghệ, trong đó phải kể đến:

– Xây dựng hai đường ống bằng vật liệu chịu ăn mòn dài 2,5 km để dẫn nước đi và về chạy qua mặt bằng nhà máy lọc dầu trước đây. Các đường ống này cũng phải đi bên dưới dây chuyền tiếp nhận LNG siêu lạnh hiện có và đường cao tốc.

– Giảm thiểu tác động tới môi trường nơi tuyến đường ống nhiệt đi qua vì đó là nơi sinh sống của các loài động vật cần được bảo vệ như là loài xa giông có mào cỡ lớn và loài chuột nước.

– Lựa chọn vật liệu và yêu cầu về hóa học của nước đòi hỏi phải hạn chế hàm lượng clorua có trong tuyến nước khử khoáng và loại trừ mọi khả năng gây ăn mòn do ứng suất làm nứt rạn bó ống thép không gỉ của bộ SCV.

– Cải tạo Nhà máy Grain LNG hiện có và hệ thống điều khiển SCV nhưng vẫn phải duy trì hoạt động và vận hành trong suốt quá trình cải tạo.

Cùng có lợi

Sơ đồ CHP được triển khai cùng với công ty Grain LNG trên nguyên tắc dự án phải đem lại lợi ích chung cho cả đôi bên. Điều này được ghi rõ trong thỏa thuận cung cấp nhiệt, trong đó qui định biểu giá và việc bán nhiệt thải của E.ON cho LNG Grain.

Nhà máy LNG Grain sẽ được lợi từ việc giảm lượng khí mà nhà máy sử dụng khi vận hành bộ SCV ở chế độ đốt, nhờ đó giảm chi phí vận hành. Khi giai đoạn 3 hoàn tất thì lượng phát thải CO2hằng năm của công ty cũng sẽ giảm tới 0,5 MTe. Một lợi ích nữa về môi trường là cắt giảm nhiệt năng thải ra sông Medway từ hệ thống nước làm mát trực lưu truyền thống của nhà máy CHP Grain khi vận hành ở chế độ CHP.

Theo quan điểm của E.ON, thu hồi được 341 MW nhiệt thải phẩm cấp thấp làm tăng hiệu suất ròng cơ bản của các tổ máy tuabin khí chu trình hỗn hợp từ 58,6% lên tới 72,6 % khi vận hành ở chế độ CHP đầy tải. Tuy nhiên, việc thu hồi năng lượng này đòi hỏi vốn đầu tư đáng kể, và sơ đồ này đã nhận được sự hỗ trợ về tài chính từ một số cơ chế chính sách của chính phủ. Cụ thể là việc tạo điều kiện để đăng ký Grain như là một nhà máy có tính CHP, nhờ đó nhận được thêm các phiếu về quyền phát thải CO2 sẽ được phát hành theo Kế hoạch phân bổ toàn nước Anh, giai đoạn II (tháng 8/2007) và được hưởng chứng chỉ miễn trừ thuế đối với mỗi MWh sản lượng CHP chất lượng tốt.

(Theo TCĐL)

Advertisements

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Đăng xuất / Thay đổi )

Connecting to %s