CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NHIỆT ĐIỆN TUA BIN KHÍ CHU TRÌNH HỖN HỢP 1. Khái quát về thực trạng sản xuất điện tại Việt Nam hiện nay Để đáp ứng nhu cầu phát triển ngày càng cao của nền kinh tế quốc dân, cùng chủ trương hiện đại hóa - công nghiệp hóa của Đảng và Nhà nước thì ngành điện cần phải đi trước một bước. Việc cung cấp đủ điện cho sinh hoạt và sản xuất sẽ có tác động tích cực đến quá trình sản xuất của các doanh nghiệp, đến sự phát triển kinh tế xã hội chung của đất nước. Việc quy hoạch và phát triển nguồn điện của nước ta hiện nay phụ thuộc vào 02 nguồn chính là thủy điện và nhiệt điện.
Diesel: Nhiệt điện Nhiệt điện 3,17% dầu: 2,22% than: 13,84% Tuabin khí: Thủy điện: 34,55% 46,21% (Nguồn trích từ trang báo điện tử Tuổi trẻ 2006) Hình 1. Biểu đồ phân bố công suất lắp đặt nguồn điện (tính đến năm 2006) - Thủy điện: Thuỷ điện là nguồn điện hình thành từ sự chuyển hóa của năng lượng nước. Năng lượng thuỷ điện có được từ thế năng của nước được tích tại các đập nước dùng làm quay turbine nước và máy phát điện. Mai Văn Thạnh Luận văn cao học QTKD 2008 6 Ưu điểm của Thủy điện: Lợi ích lớn nhất của thuỷ điện là hạn chế được giá thành sản xuất điện.
Các nhà máy thuỷ điện không phải chịu tác động của việc tăng giá của nhiên liệu. Tuổi thọ của các nhà máy thuỷ điện cũng lớn hơn các nhà máy nhiệt điện. Các nhà máy thuỷ điện có thể vận hành phát điện ở mức thấp vào giờ thấp điểm để tích nước và phát điện tối đa vào giờ cao điểm hàng ngày. Các đập thủy điện được xây dựng ngoài chức năng dùng cho phát điện còn có chức năng để tưới tiêu phục vụ cho sản xuất nông nghiệp và kiểm soát lũ.
Tuy nhiên trên thực tế, việc sử dụng nước của các hồ thủy điện đôi khi khá phức tạp bởi vì nhu cầu nước tưới tiêu phục vụ cho phát triển nông nghiệp có thể xảy ra không trùng với thời điểm yêu cầu phát điện ở mức cao nhất. Những thời điểm hạn hán trong năm cũng gây ra một số khó khăn, bởi vì mức nước bổ sung không tăng kịp với mức yêu cầu sử dụng và gây ra thiếu nước, giảm công suất phát và theo đó cũng làm giảm hiệu suất của nhà máy thủy điện. Đối với nước ta, do đặc điểm thuỷ văn của sông ngòi nên điện năng phát của các nhà máy thuỷ điện không được ổn định, lượng điện phát trong 5 tháng mùa mưa thường chiếm khoảng 60% lượng điện năng trung bình năm. Trong khi các tháng mùa khô công suất phát trung bình chỉ đạt 30% đến 35% công suất đặt của nhà máy.
Vào các tháng cuối mùa khô công suất khả dụng của các nhà máy thuỷ điện bị giảm nhiều là do mức nước các hồ giảm thấp. Do đó hiện nay hệ thống điện Việt Nam thường xảy ra tình trạng thiếu điện vào các tháng mùa khô Mai Văn Thạnh Luận văn cao học QTKD 2008 7 (thường kéo dài từ tháng 12 năm trước đến khoảng đầu tháng 6 năm sau). Chính vì vậy mà đã xảy ra tình trạng mất cân bằng trong sản xuất cũng như phân bố phụ tải đối với hệ thống điện Việt nam và khó đảm bảo được khả năng cung ứng đủ điện cho phát triển kinh tế xã hội vào các tháng mùa khô hàng năm. - Nhiệt điện: Nhiệt điện là nguồn điện có được từ việc đốt cháy nhiên liệu - thường là than, dầu hoặc khí (gas) tự nhiên – năng lượng này được đưa vào làm quay tua bin và máy phát điện để sản xuất ra điện.
Nhiệt điện chu trình hỗn hợp là tận dụng lượng khí nóng thoát ra sau khi ra khỏi tua bin để đun sôi nước tạo thành hơi quá nhiệt và đưa vào tua bin hơi làm quay tua bin hơi và kéo theo máy phát điện để phát ra điện. Chu trình này giúp tận dụng tối đa nhiệt lượng của nhiên liệu đầu vào và nâng cao hiệu suất của chu trình. Ưu điểm của nhiệt điện: Chi phí đầu tư xây dựng thấp – chỉ khoảng 0.8 lần so với chi phí đầu tư xây dựng nhà máy thủy điện. Chi phí đầu tư cho 1 kW thủy điện khoảng 2,000 đôla trong khi nhiệt điện chỉ khoảng 1,600 đôla.
Thời gian xây dựng nhà máy nhiệt điện cũng ngắn hơn (thường 2 đến 3 năm), khi vận hành không phụ thuộc nhiều về điều kiện của thiên nhiên. Do vậy nên các nhà máy nhiệt điện được xây dựng nhiều tại nước ta nói riêng và trên thế giới nói chung. Cho đến thời điểm hiện nay và trong quy hoạch phát triển điện Việt nam giai đoạn từ 2006 đến năm 2015 có xét đến 2025, điện năng do các nhà máy nhiệt điện sản xuất ra vẫn đóng vai trò chủ đạo trong hệ thống điện Việt Nam. Mai Văn Thạnh Luận văn cao học QTKD 2008 8 Tính đến cuối năm 2006, tổng công suất nguồn điện của cả nước đạt 12.270 MW, trong đó nguồn nhiệt điện chiếm khoảng 57%, tương đương 6.586 MW (trích từ trang tin điện tử công ty điện lực 3) Bên cạnh các ưu điểm trên, các nhà máy nhiệt điện cũng có những khuyết điểm, hạn chế như: Chi phí sản xuất trong các nhà máy nhiệt điện cao hơn các nhà máy thủy điện và phải chịu sự biến động lớn từ giá nhiên liệu đầu vào như than, khí đốt, dầu.
Nguồn nhiên liệu này không phải là tài nguyên dồi dào và sẵn có, trong tương lai sẽ dần cạn kiệt và phải nhập khẩu. Thời gian khởi động và đáp ứng yêu cầu của phụ tải chậm hơn nhiều so với thủy điện. Tuổi thọ thường thấp hơn các nhà máy thủy điện, thông thường khoảng 3 – 4 năm phải ngừng đại tu sửa chữa và thay thế một loạt các thiết bị của các hệ thống. Việc ô nhiểm môi trường do khí thải của các nhà máy nhiệt điện, đặc biệt là các nhà máy nhiệt điện vận hành bằng nhiên liệu dầu hoặc than cũng là vấn đề đang ngày càng được quan tâm do ảnh hưởng đến môi trường sinh thái.
Thực tế nước ta hiện nay, nhiệt điện chủ yếu được sản xuất từ nhiên liệu đầu vào là than đá và khí thiên nhiên. Trong đó các nhà máy nhiệt điện phía Bắc như Phả Lại - công suất 1040 MW, Uông Bí - công suất 710MW… đều dùng than của các mỏ than tại Quảng Ninh. Các nhà máy trong miền Nam như Phú Mỹ - công suất 2485MW, Bà Rịa - công suất 210MW, Nhơn trạch… sử dụng khí đốt từ ngoài khơi vận chuyển vào - khu mỏ Bạch Hổ và Nam Côn Sơn,… Mai Văn Thạnh Luận văn cao học QTKD 2008 9 Tính đến thời điểm hiện nay hệ thống điện Việt Nam với tổng công suất khoảng 13.000 MW, trong đó nhiệt điện chiếm khoảng trên 60%. Chỉ riêng Công ty Nhiệt điện Phú Mỹ, sản lượng năm 2007 đạt 17,2 tỷ kWh (trên tổng sản lượng điện quốc gia năm 2007 là khoảng 64 tỷ kWh), chiếm khoảng 26,8%.
Đặc biệt trong khô năm 2006 và 2007, sản lượng ngày các tháng mùa khô của Công ty Nhiệt điện Phú Mỹ đạt tự 45 đến 55 triệu kWh/ngày, chiếm khoảng 35% sản lượng toàn hệ thống. Không thể phủ nhận vai trò của thủy điện cũng như chủ trương ưu tiên phát triển thủy điện trong thời gian vừa qua, đặc biệt là trong nhiệm vụ hạn chế lũ lụt vào mùa mưa và cung cấp nước tưới tiêu phục vụ cho phát triển nông nghiệp vào các tháng mùa khô. Tuy nhiên với tầm quan trọng ngày một nâng cao của Nhiệt điện, việc quản lý dây chuyền sản xuất, làm chủ công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh là một trong những vấn đề đặt ra hàng đầu đối với lãnh đạo Tập đoàn Điện lực Việt nam, các công ty nhiệt điện nói chung và Công ty Nhiệt điện Phú Mỹ nói riêng. Khái quát nguyên lý hoạt động của Nhà máy điện Tua bin khí chu trình hỗn hợp Các thành phần thiết bị chính của Nhà máy điện tuabin khí chu trình hỗn hợp gồm: - Tuabin khí (gas turbine) - Lò thu hồi nhiệt - Tuabin hơi (steam turbine) Ngoài ra đi kèm theo các thành phần chính này là các hệ thống cung cấp điện tự dùng và truyền tải điện, các hệ thống cung cấp nhiên liệu và các hệ thống phụ trợ liên quan khác.
Để nâng cao hiệu suất của nhà máy, người ta thường xây dựng một chu Mai Văn Thạnh Luận văn cao học QTKD 2008 10 trình khép kín gồm tua bin khí, lò thu hồi nhiệt và tuabin hơi. Thường hiệu suất của tuabin khí chỉ khoảng 30 – 37%; hiệu suất chu trình hỗn hợp khoảng 50 – 60%. Tua bin khí: Có thể mô tả hoạt động của một nhà máy điện tua bin khí như sau: - Không khí từ môi trường đi vào máy nén gió qua các tầng lược (gọi nhà lọc gió) với mục đích lọc bụi, các chất bẩn và các thành phần cứng trong không khí có thể gây bẩn, làm giảm hiệu suất của máy nén gió cũng như gây hư hỏng các tầng cánh máy nén, tua bin. - Sau đó lượng không khí này được nén qua máy nén với một áp suất và nhiệt độ tương ứng tuỳ thuộc vào tỷ số nén của máy nén – thường tỉ số nén này lớn hơn 9 đối với các tổ máy có công suất trên 100MW.
(xem đường 1-2 trong hình 1.3) - Lượng không khí này đi vào buồng đốt kết hợp với nhiên liệu gas (hoặc dầu), được đốt cháy tạo ra dòng khí nóng với nhiệt độ khá cao (khoảng 1000oC – đến 1300oC, tuỳ theo thiết kế của tổ máy) – (đường 2-3 trong hình 1.3); sau đó đi vào tuabin làm quay tuabin (giản nở nhiệt - đường 3-4 trong hình 1. - Với thiết kế máy phát điện và tuabin khí được gắn đồng trục nên khi Tuabin quay sẽ kéo máy phát quay theo và phát ra điện. - Nguồn điện 3 pha này được đưa qua máy biến thế tăng áp và hòa vào lưới điện quốc gia với cấp điện áp tương ứng (thường 110kV, 220kV hoặc 500kV AC). - Phần dòng khí nóng sau khi ra khỏi tuabin khí với lưu lượng lớn (khoảng 500 m3 /s) và nhiệt độ cao (trên 500oC) sẽ được xả bỏ ra môi trường (khi vận Mai Văn Thạnh Luận văn cao học QTKD 2008 11 hành chu trình đơn) hoặc được đưa vào lò thu hồi nhiệt để tận dụng nếu vận hành chu trình hỗn hợp (đường 4-1 trong hình 1.: Sơ đồ nguyên lý hoạt động tua bin khí (gas turbine) Hình 1.
Sơ đồ nguyên lý hoạt động tua bin khí (gas turbine) Mai Văn Thạnh Luận văn cao học QTKD 2008 12 1.