MỞ ĐẦU Trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam, một số nguồn cung cấp điện năng chính nhƣ thủy điện, nhiệt điện, điện gió, điện mặt trời và điện hạt nhân. Theo thống kê của cơ quan năng lƣợng nguyên tử quốc tế, năm 2015 nguồn cung cấp điện năng từ nhiệt điện chiếm ƣu thế là 36%, dự báo từ năm 2020 đến 2030, cùng với nhiệt điện và một số nguồn năng lƣợng có sẵn thì có thêm nguồn năng lƣợng mới là năng lƣợng hạt nhân chiếm từ 1-8%. Bên cạnh đó, theo thiết kế của các nhà sản xuất trên thế giới, hệ thống nƣớc làm mát vòng thứ cấp của nhà máy nhiệt điện có nhiều điểm tƣơng đồng với hệ thống nƣớc làm mát của nhà máy nhiệt điện. Do đó, việc kiểm tra chất lƣợng nƣớc vòng thứ cấp cũng tƣơng tự nhƣ đối với nhà máy nhiệt điện.
Trong tƣơng lai, Việt Nam dự kiến sẽ lựa chọn hai công nghệ nhà máy điện hạt nhân để xây dựng, một nhà máy do Liên Bang Nga và một nhà máy do Nhật Bản thiết kế và lắp đặt. Trong số những nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam, nhà máy nhiệt điện Phả Lại là nhà máy duy nhất đang áp dụng hai công nghệ trên. Nhƣ vậy, để chuẩn bị cho dự án điện quốc gia trong tƣơng lai, mô hình nhà máy nhiệt điện Phả Lại đƣợc lựa chọn để nghiên cứu ở thời điểm hiện tại là phù hợp và có tính ứng dụng cao. Nhà máy nhiệt điện nói chung, nhà máy nhiệt điện Phả Lại nói riêng, nguyên liệu sản xuất chính là than, dầu, khí đốt và nƣớc.
Than, dầu, khí dùng để đốt cháy cung cấp nhiệt năng cho nƣớc, chuyển nƣớc thành hơi nƣớc, hơi nƣớc sinh công quay tua bin và phát ra điện. Nƣớc và hơi nƣớc biến đổi tuần hoàn trong một chu trình kín (chu trình nhiệt). Trong chu trình nhiệt nƣớc biến đổi thành hơi, rồi ngƣng tụ lại thành nƣớc, cứ nhƣ vậy tuần hoàn; do đó, nƣớc đóng vai trò là "chất công tác chính" trong quá trình sản xuất điện năng của nhà máy nhiệt điện. Việc xuất hiện hàm lƣợng vết (ppm) các anion F-, Cl-, SO42-, PO43- trong nƣớc làm mát của nhà máy nhiệt điện, đặc biệt là trong vòng thứ cấp của nhà máy điện hạt nhân gây ra sự ăn mòn kim loại trong mạch vi điện tử, làm cho các thành phần thép không gỉ của nhà máy nhiệt điện (nhƣ lò hơi, ống nồi hơi, ống bình ngƣng, và lƣỡi tuabin) dễ bị ăn mòn ứng suất [13,19,21,22,24,25,26].
Để kiểm tra 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Hóa phân tích hàm lƣợng các anion nói trên thì sắc ký ion là một phƣơng pháp phân tích hữu hiệu giúp xác định đồng thời các anion với độ nhạy và độ tin cậy cao, giới hạn phát hiện thấp (cỡ ppb), thời gian phân tích ngắn, lƣợng mẫu ít[22]. Để đảm bảo thiết bị vận hành an toàn, kinh tế, yêu cầu chất lƣợng nƣớc dùng cho lò hơi là hết sức nghiêm ngặt, phải đảm bảo các chỉ tiêu theo quy định của nhà chế tạo. Sử dụng nƣớc sạch cho lò hơi nhằm mục đích chống sự đóng cặn trong bao hơi, trong các dàn ống sinh hơi, bộ quá nhiệt và trên các tầng cánh tuabin làm giảm công suất phát điện, gây hƣ hỏng đƣờng ống; đồng thời chống đƣợc sự ăn mòn kim loại trong hệ thống này. Chính vì vậy, việc làm sạch và kiểm tra chất lƣợng nƣớc trong nhà máy nhiệt điện cũng là một vấn đề hết sức quan trọng.
Xuất phát từ những nhu cầu trên, chúng tôi đã xây dựng đề tài mang tên: “Phân tích lượng vết các anion F-, Cl-, SO42-, PO43- trong hệ thống nước làm mát của nhà máy nhiệt điện bằng phương pháp sắc ký ion” với mong muốn có thêm một phƣơng pháp phân tích, nhằm kiểm tra, đánh giá chính xác hàm lƣợng một số ion nói trên trong hệ thống nƣớc của nhà máy nhiệt điện, góp phần đảm bảo an toàn trong vận hành các nhà máy nhiệt điện ở nƣớc ta. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Hóa phân tích CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu hệ thống nƣớc làm mát của nhà máy nhiệt điện Phả Lại Công ty Cổ phần Nhiệt điện Phả Lại sở hữu hai nhà máy nhiệt điện có tổng công suất là 1040MW. Công ty có 2 dây chuyền sản xuất nhiệt điện. Dây chuyền 1 đƣợc xây dựng từ những năm 1980 do Liên bang Nga (thuộc Liên Xô cũ) thiết kế và lắp đặt.
Dây chuyền 2 đƣợc xây dựng từ năm 2000 do Nhật Bản thiết kế và lắp đặt với công nghệ điều khiển mới có độ tin cậy cao, tiên tiến và hiện đại nhất hiện nay. Dây chuyền 2 gồm hai tổ máy siêu cao áp, công suất thiết kế của mỗi tổ máy là 300MW. Dây chuyền vận hành dựa vào nguyên lý chu trình hơi nƣớc khép kín Rankine. Nguồn nhiệt cấp cho chu trình nhiệt là nguồn nhiệt đốt từ than đá.
Nƣớc sử dụng trong chu trình nhiệt là nƣớc khử khoáng đƣợc xử lý bằng phƣơng pháp trao đổi ion có độ sạch rất cao. Nguyên lý chu trình nhiệt của Dây chuyền 2 nhƣ sau: Nƣớc sau bình ngƣng có nhiệt độ khoảng 40oC đƣợc bơm ngƣng bơm qua các bộ gia nhiệt hạ áp và đƣợc gia nhiệt bằng một phần hơi dẫn ra từ chu trình nhiệt. Tại đầu đẩy bơm ngƣng, nƣớc đƣợc trộn thêm Amoniac và Hydrazin nhằm mục đích nâng pH và hạn chế quá trình ăn mòn kim loại. Nƣớc sau các bộ gia nhiệt hạ áp có nhiệt độ khoảng 170oC, áp suất 7,2 Kg/cm2 và đƣợc dẫn thẳng lên bình khử khí.
Tại đây, một phần các khí thể không hoà tan hoặc quá bão hoà nhƣ O2, CO2, N2, H2,…sẽ đƣợc tách ra khỏi nƣớc theo nguyên tắc trƣng luyện, dòng hơi và dòng nƣớc đi ngƣợc chiều nhau, các khí thể hoà tan hoặc quá bão hòa từ dòng nƣớc sẽ đi vào pha hơi theo các định luật Henry-Dalton. Nƣớc sau bình khử khí đƣợc bơm cấp nâng áp suất lên khoảng 190Kg/cm2 và bơm qua các thiết bị gia nhiệt cao áp. Tại các bộ gia nhiệt cao áp, nƣớc đƣợc gia nhiệt bằng các đƣờng hơi trích nâng nhiệt độ lên khoảng 260oC và đƣợc dẫn sang bộ hâm. Yêu cầu chất lƣợng nƣớc trƣớc khi vào bộ hâm phải đảm bảo pH từ 8,5 ÷ 9,5 và hàm lƣợng oxy nhỏ hơn 7ppb.
Nƣớc qua bộ hâm sẽ nhận nhiệt từ phần khói 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Hóa phân tích đuôi lò và nâng nhiệt độ lên khoảng 300oC. Sau bộ hâm, nƣớc đƣợc dẫn trực tiếp vào bao hơi. Bao hơi của Dây chuyền 2 có công suất thiết kế là 900 tấn hơi/giờ, áp suất 180Kg/cm2, nhiệt độ 350oC. Nƣớc từ bộ hâm đƣợc dẫn trực tiếp sang bao hơi.
Na3PO4 đƣợc bơm gián đoạn và trực tiếp vào bao hơi nhằm nâng pH nƣớc lò, hạn chế quá trình đóng cặn cũng nhƣ ăn mòn xảy ra trong bao hơi và đƣờng ống sinh hơi. Nguyên lý vận hành của bao hơi là tuần hoàn tự nhiên. Nƣớc từ bao hơi theo bốn ống góp đi xuống phía đáy lò và phân chia đi vào các ống sinh hơi. Nƣớc trong các ống sinh hơi sẽ nhận nhiệt trực tiếp từ buồng lửa nâng nhiệt độ đến nhiệt độ sôi khoảng 350oC.
Nƣớc này có tỷ trọng nhỏ hơn nên luôn có xu hƣớng đi lên và đi vào các ống góp đƣợc dẫn quay trở lại bao hơi hình thành vòng tuần hoàn tự nhiên khép kín. Tại bao hơi, phần hơi nƣớc quá bão hoà sẽ tách ra trên bề mặt thoáng mức nƣớc bao hơi. Các Cyclon đƣợc lắp đặt phía trên trong bao hơi có nhiệm vụ tách loại một phần lƣợng nƣớc cuốn theo hơi. Tuy nhiên hơi này vẫn còn khoảng từ 3-5% độ ẩm kéo theo.
Hơi này đƣợc gọi là hơi bão hoà và đƣợc dẫn sang bộ quá nhiệt. Tại bộ quá nhiệt, hơi bão hoà nhận nhiệt trực tiếp từ lò trở thành hơi khô có nhiệt độ khoảng 541oC. Hơi khô này đƣợc gọi là hơi quá nhiệt có năng lƣợng cao và đƣợc dẫn trực tiếp sang turbin cao áp. Tại đây, hơi quá nhiệt sẽ dãn nở sinh công và làm quay turbine cao áp.
Hơi sau turbine cao áp sẽ đƣợc dẫn sang bộ quá nhiệt trung gian nhận nhiệt trực tiếp từ lò trở thành hơi có năng lƣợng cao. Hơi này đƣợc dẫn tiếp sang turbine trung áp, tại đây hơi nƣớc sẽ dãn nở sinh công và làm quay turbine trung áp. Hơi sau turbine trung áp đƣợc dẫn trực tiếp sang turbine hạ áp, tại đây hơi sẽ dãn nở một lần nữa và sinh công làm quay turbine hạ áp. Hơi sau turbine hạ áp lại đƣợc dẫn xuống bình ngƣng và đƣợc làm mát bằng nƣớc sông (nƣớc tuần hoàn) và ngƣng tụ thành nƣớc có nhiệt độ khoảng 40oC.
Một phần các khí thể không hoà tan hoặc quá bão hoà nhƣ H2, O2, N2, CO2, … sẽ đƣợc bơm hút chân không bình ngƣng tách ra. Nhƣ vậy, hơi nƣớc đã vận hành thành chu trình tuần hoàn khép kín. Chu trình nhiệt của nhà máy nhiệt điện đƣợc biểu diễn ở Hình 1. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Hóa phân tích Hình 1.
Hình Chu trình nhiệt và hệ thống cấp hóa chất Mặc dù hơi nƣớc đƣợc làm việc trong chu trình khép kín, nhƣng không tránh khỏi thất thoát do: xả cặn trong quá trình xử lý, các vòi lấy mẫu, do xì trên đƣờng ống, mặt bích và các van… Vì vậy, ta luôn phải bổ sung một lƣợng nƣớc để bù lại lƣợng hơi nƣớc đã mất đi trong chu trình. Nguồn nƣớc cung cấp cho chu trình nhiệt là nƣớc khử khoáng có độ sạch hoá học cao. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, do các nguyên nhân nhƣ rò rỉ, tích tụ, đốt cháy các chất hữu cơ dầu mỡ, pH thấp, sự có mặt của oxy, và đặc biệt là nhiệt độ cao và áp suất cao nên các hiện tƣợng ăn mòn, đóng cặn, hơi cuốn vẫn xảy ra trong chu trình nhiệt. Các hiện tƣợng này đều do chất lƣợng nƣớc gây ra sẽ làm ảnh hƣởng đến quá trình vận hành bình thƣờng của chu trình nhiệt và gây ra một số hậu quả nghiêm trọng nhƣ giảm hiệu suất truyền nhiệt, gây nổ đƣờng ống truyền nhiệt, gây ăn mòn tầng cánh turbine,… Dƣới đây là bảng liệt kê các hiện tƣợng và hậu quả của chúng[20].
5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Chuyên ngành: Hóa phân tích Hiện Hậu quả Nguyên nhân tƣợng - Giảm hiệu suất của lò hơi do - Do độ cứng, SiO2 từ nƣớc khử đóng cặn (độ cứng, SiO2, oxit kim khoáng, hoặc các nguồn khác mang vào lò. loại) bám trên bề mặt ống truyền - Do sản phẩm ăn mòn kim loại Đóng cặn nhiệt. xảy ra trên đƣờng ống, thiết bị nhiệt.