Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế sơ bộ nhà máy nhiệt điện công suất 300MW tại Đại học Bách Khoa Hà Nội

Đồ án tốt nghiệp thiết kế sơ bộ nhà máy nhiệt điện công suất 300MW, tập trung vào quy trình, thiết kế và tối ưu hiệu suất năng lượng.

• Tác giả: Nguyễn Trọng Hùng
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Cao Trung
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt
• Đề tài: Thiết kế sơ bộ nhà máy nhiệt điện công suất 300MW và Nghiên cứu hệ thống điều khiển mức nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Sơ Bộ Nhà Máy Nhiệt Điện 300MW

Thiết kế sơ bộ nhà máy nhiệt điện 300MW là một trong những dự án quan trọng trong lĩnh vực năng lượng nhiệt Việt Nam. Nhà máy nhiệt điện loại này được thiết kế để cung cấp điện ổn định cho hệ thống lưới điện quốc gia. Quá trình thiết kế nhà máy nhiệt điện bao gồm nhiều giai đoạn phức tạp, từ lựa chọn thiết bị chính đến bố trí toàn nhà máy. Tuabin loại K-300-167/43-538/538 với công suất điện 300MWe là trái tim của hệ thống này. Thông số hơi mới đặc biệt quan trọng: áp suất 170 bar, nhiệt độ 538°C. Với thông số kỹ thuật được xác định rõ ràng, nhà máy có thể hoạt động ở hiệu suất cao. Điều này giúp tối ưu hóa chi phí vận hành và bảo vệ môi trường. Nhà máy nhiệt điện 300MW đã trở thành một mẫu thiết kế tiêu chuẩn cho các dự án năng lượng hiện đại tại Việt Nam.

1.1. Lựa Chọn Loại Nhà Máy Và Công Suất

Lựa chọn loại nhà máy nhiệt điện phụ thuộc vào nhu cầu cung cấp điện khu vực và nguồn tài nguyên. Công suất 300MW được chọn vì nó đảm bảo hiệu suất kinh tế và kỹ thuật tối ưu. Tuabin K-300-167/43-538/538 có thiết kế đặc biệt với hệ thống quá nhiệt trung gian, giúp nâng cao hiệu suất nhiệt động lực học. Thông số hoạt động được tính toán chi tiết để đạt hiệu suất cao nhất có thể.

1.2. Tổng Quan Nhà Máy Nhiệt Điện Ở Việt Nam

Các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam đóng vai trò then chốt trong cấp điện quốc gia. Thiết kế sơ bộ nhà máy 300MW tuân theo tiêu chuẩn quốc tế về an toàn và hiệu suất năng lượng. Những nhà máy này sử dụng công nghệ tiên tiến để tối ưu hóa quá trình đốt cháy và chuyển hóa năng lượng. Áp dụng các giải pháp kỹ thuật hiện đại giúp giảm thiểu ô nhiễm và nâng cao hiệu quả kinh tế.

II. Sơ Đồ Nhiệt Nguyên Lý Và Thông Số Kỹ Thuật

Sơ đồ nhiệt nguyên lý là nền tảng của thiết kế nhà máy nhiệt điện 300MW. Sơ đồ này bao gồm các thành phần chính như lò hơi, tuabin, ngưng tụ và các bình gia nhiệt nước. Thông số hơi mới được duy trì ở 170 bar và 538°C để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Hệ thống quá nhiệt trung gian với thông số 48,76 bar, 349°C giúp cải thiện chu trình nhiệt động lực học. Bính ngưng tụ hoạt động ở áp suất 0,065 bar, cho phép hơi thoát với độ khô từ 0,92 đến 0,95. Thiết kế này đảm bảo hiệu suất cao và độ tin cậy của toàn hệ thống. Các bình gia nhiệt được bố trí theo dõi để tăng nhiệt độ nước bổ sung, nâng cao hiệu suất tổng thể.

2.1. Thiết Lập Sơ Đồ Nguyên Lý Tổ Máy

Sơ đồ nguyên lý tổ máy 300MW được thiết lập dựa trên nguyên tắc chu trình Rankine có quá nhiệt và tái nóng. Lựa chọn số cấp khử khí là bước quan trọng để loại bỏ khí tan trong nước. Cấp nước đọng được thiết kế để tối ưu hóa quá trình hình thành và loại bỏ nước ngưng tụ. Sơ đồ bao gồm hệ thống cấp nước bổ sung được điều khiển tự động để duy trì cân bằng nước trong chu trình.

2.2. Thông Số Hơi Và Nước Trong Quá Trình

Thông số hơi tại các điểm khác nhau trong chu trình được lập thành bảng chi tiết. Hơi mới có áp suất 170 bar và nhiệt độ 538°C trước khi vào tuabin. Sau khi giãn nở qua các cấp tuabin, hơi đạt được thông số tái lạnh là 48,76 bar. Nước cấp được gia nhiệt từ 81°C lên 438°C thông qua hệ thống bình gia nhiệt nước. Quá trình này tối ưu hóa hiệu suất nhiệt động lực học của toàn hệ thống.

III. Tính Toán Và Cân Bằng Nhiệt Trong Nhà Máy

Tính toán cân bằng nhiệt là yêu cầu thiết yếu trong thiết kế nhà máy nhiệt điện 300MW. Cân bằng vật chất và năng lượng được thực hiện cho từng thiết bị chính như tuabin, bình phân ly, bình gia nhiệt và bình ngưng tụ. Cân bằng hơi trong tuabin được tính dựa trên lưu lượng hơi vào và ra ở các cửa trích. Các tỷ số lưu lượng được xác định trước: axa = 0,012, ach = 0,008, arr = 0,011, aej = 0,007 giúp điều khiển chính xác dòng chảy. Cân bằng nước đảm bảo không có rò rỉ và hiệu suất vận hành cao. Tính toán từng bình gia nhiệt nước giúp xác định chính xác lưu lượng và trạng thái hơi-nước tại mỗi điểm.

3.1. Cân Bằng Tuabin Và Bình Phân Ly

Cân bằng tuabin K-300-167/43-538/538 được thực hiện dựa trên phương trình bảo toàn năng lượng. Hơi vào tuabin với lưu lượng xác định được giãn nở qua các cấp, cung cấp công cơ học. Bình phân ly tách hơi khô ra từ hơi ướt, cải thiện chất lượng hơi vào các cấp tiếp theo. Quá trình này giảm thiểu tổn hại tuabin do ăn mòn và xói mòn từ giọt nước.

3.2. Cân Bằng Các Bình Gia Nhiệt Nước

Cân bằng bình gia nhiệt cao áp và bình gia nhiệt hạ áp được tính để xác định lưu lượng hơi trích cần thiết. Hơi trích từ tuabin ở các điểm áp suất khác nhau được dẫn vào các bình gia nhiệt. Bình khử khí loại bỏ khí hoà tan, bảo vệ các thiết bị khỏi ăn mòn. Mỗi bình được tính toán chi tiết để đạt hiệu suất gia nhiệt tối ưu.

IV. Bố Trí Nhà Máy Và Hệ Thống Điều Khiển

Bố trí nhà máy nhiệt điện 300MW phải đảm bảo hiệu quả vận hành, an toàn và bảo vệ môi trường. Các khu vực chính bao gồm: phòng lò hơi, phòng tuabin, phòng máy phát điện, phòng điều khiển, bình ngưng tụ và các bình gia nhiệt nước. Sơ đồ chi tiết được vẽ theo tiêu chuẩn A0 để hiển thị toàn bộ hệ thống và các kết nối. Hệ thống điều khiển mức nước bao hơi đóng vai trò quan trọng trong vận hành an toàn. Điều khiển tự động duy trì mức nước ổn định trong bình gia nhiệt, ngăn chặn hiện tượng "cạn nước" hoặc "tràn nước". Công nghệ điều khiển PLC hiện đại được áp dụng để theo dõi và điều chỉnh liên tục.

4.1. Lựa Chọn Và Bố Trí Thiết Bị Chính

Thiết bị chính trong nhà máy bao gồm lò hơi, tuabin, máy phát điện, máy bơm, trao đổi nhiệt. Lựa chọn thiết bị dựa trên thông số kỹ thuật được tính toán và tiêu chuẩn quốc tế. Bố trí không gian được tối ưu hóa để giảm độ dài ống nước và hơi, nâng cao hiệu suất. Các thiết bị được đặt trên nền móng vững chắc, dễ bảo dưỡng và sửa chữa.

4.2. Hệ Thống Điều Khiển Và An Toàn

Hệ thống điều khiển mức nước sử dụng cảm biến mức và van điều khiển tự động. Mức nước bao hơi được giữ ở giới hạn an toàn để tránh sự cố. Hệ thống báo động tự động cảnh báo khi mức nước vượt quá hoặc dưới giới hạn cho phép. Vận hành an toàn của nhà máy được đảm bảo thông qua kiểm soát liên tục các thông số hoạt động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.1 Lựa chọn loại nhà máy nhiệt điện Trong thực tế trên thế giới, chúng ta có hai loại nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu hữu cơ sử dụng chu trình Rankine của hơi nước: - Nhà máy nhiệt điện: Chỉ sản xuất điện cung cấp lên lưới điện chung. - Trung tâm nhiệt điện: Vừa sản xuất điện cấp lên lưới điện chung vừa cấp hơi hoặc nước nóng cho mục đích sử dụng nhiệt cỡ lớn. Theo yêu cầu thiết kế: Thiết kế sơ bộ nhà máy điện công suất 300 MW do đó chọn phương án thiết kế nhà máy điện ngưng hơi. Để giảm tổn thất nhiệt do hơi thoát vào bình ngưng, tuabin có cửa trích gia nhiệt hồi nhiệt cho nước và chu trình có quá nhiệt trung gian để giảm độ ẩm của tầng cánh cuối của tuabin và tăng hiệu suất nhiệt của chu trình 1.2 Lựa chọn công suất tổ máy 1.1 Tổng quan các nhà máy nhiệt điện cảu nước ta Trong dự án quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 – 2020 có xét đến năm 2030, nước ta đã đang và xây dựng rất nhiều nhà máy đốt nhiên liệu hữu cơ (đốt than) có công suất lớn.

Theo quy hoạch đến năm 2020 nhiệt điện đốt than chiếm 48% tổng công suất phát điện. Hàng loạt các nhà máy đã, đang và sẽ xây dựng sớm lên lưới như: Nghi Sơn, Mông Dương, Quảng Trạch, Thái Bình, Hải Dương, Thăng Long… Các dự án điện này sẽ cung cấp nguồn điện năng phục vụ phát triển kinh tế - xã hội đất nước, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia cho sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa, giải quyết tính trạng thiếu hụt năng lượng của hệ thống điện lưới quốc gia giai đoạn 2020 – 2030.2 Lựa chon công suất tổ máy Với yêu cầu công suất thiết kế nhà máy là 300 MW tôi có thể chọn các phương án xây dựng sau: + Phương án 1: 1 tổ máy 300 MW + Phương án 2: 2 tổ máy 150 MW + Phương án 3: 3 tổ máy 100 MW 4 Nếu ta chọn phương án 1, đây là phương án trong nước được thực hiện phổ biến, công suất ở mức vừa phải, đã có nhiều kinh nghiệm trong vận hành, khả năng dự phòng thay thế - bảo dưỡng vật tư của thiết bị lớn khi xem xét trong toàn quốc. Các tổ máy phổ biến như ở Uông Bí, Cẩm Phả, Quảng Ninh. Nếu ta chọn phương án 2 dùng 2 tổ máy 150MW thì mức độ dự phòng được đảm bảo và hiệu suất của nhà máy chấp nhận được, mặc dù thấp hơn phương án 1.

Nhưng tổ máy này hiện được cung cấp thương mại hạn chế, không phổ biến. Nếu ta chọn phương án 3 dùng ba tổ máy 100MW hoặc nhiều hơn thì sẽ chiếm nhiều diện tích xây dựng nhà máy, tổn thất trong nhà máy lớn, hiệu suất không cao. Việc lựa chọn công suất tổ máy là một bài toán so sánh về mặt kinh tế và kỹ thuật. Khi so sánh về kỹ thuật, các phương án được đánh giá thông qua các chỉ tiêu kỹ thuật sau khi tính toán sơ bộ, đồng thời phải đảm bảo cung cấp điện năng trong các trường hợp có sự cố xảy ra.

Hiện nay nước ta đang xây dựng nhiều nhà máy có công suất 300 MW được hình thành từ 1 tổ máy 300MW hoặc các nhà máy 600MW được hình thành từ 2 tổ máy 300MW. Nên trong đồ án này, tôi chọn tính toán sơ bộ nhà máy theo phương án 1, tức một nhà máy – một tổ máy công suất 300MW.3 Thông số tổ máy 300MW Tuabin: Loại tuabin: K-300-167-538 - Công suất điện đầu máy phát của tổ máy: 300 MW - Thông số hơi mới (trước van Stop): po = 167 bar, to = 538 oC - Thông số hơi quá nhiệt trung gian (đường tái lạnh): pđ = 48,76 bar, tđ = 349 ℃ - Thông số hơi sau quá nhiệt trung gian: pv = 43,16 bar, tv= to = 538 ℃ - Áp suất trong bình ngưng: pk = 0,065 bar (xk = 0,92-0,95)) - Các tỷ số lưu lượng biết trước là: - Lưu lượng nước xả lò: xả = 0,012 - Lưu lượng hơi chèn: ch = 0,008 - Lưu lượng hơi rò rỉ: rr = 0,011 - Lưu lượng hơi cho ejector: ej = 0,007 5 Cửa 1(qntg) 2 3(ct) 4 5 6 K trích Đến bình CA5 CA4 KK HA3 HA2 HA1 BN Áp suất cửa trích 48,76 23,25 8,63/7 5 1.1: Thông số hơi của trích 1.3 Thiết lập sơ đồ nhiệt nguyên lý của tổ máy 1.1 Chọn số cấp khử khí Vì nhà máy nhiệt điện có thông số áp suất dưới tới hạn, sử dụng lò đốt than phun (PC) nên ta chỉ cần một cấp khử khí. Nên ta chọn bình khử khí cho nước ngưng loại 8,63 bar.2 Chọn sơ đồ đồn nước đọng của các bình gia nhiệt Sơ đồ dồn nước đọng của các bình gia nhiệt: Nước đọng từ BGNCA phía trên (phía lò hơi) được dồn cấp từ trên xuống dưới rồi cuối cùng đưa vào bình khử khí. Nước đọng ra khỏi các BGNHA được dồn cấp từ trên xuống bình ngưng cùng với nước đọng của BGN làm mát hơi chèn và BGN làm mát ejector.3 Sơ đồ cấp nước bổ sung Nước bổ sung sau khi xử lý hóa học, được đưa vào bình gia nhiệt bổ sung và tới bình khử khí.

Lượng nước này sẽ bù lại tổn thất do rò rỉ cho toàn tổ máy.4 Lựa chọn bơm Vì tổ máy trung bình nên ta chọn động cơ điện để truyền động cho bơm cấp.5 Hơi chèn tuabin Hơi sau khi đi chèn (chèn van stop, van điều chỉnh phần cao áp, van điều chỉnh phần trung áp và buồng chèn đầu của cao áp) phần còn lại sẽ được đưa về bình làm mát hơi chèn. 6 CHƯƠNG 2: LẬP VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT NGUYÊN LÝ 2.1 Sơ đồ nguyên lý tổ máy 300 MW Sơ đồ nguyên lý của tổ máy được chọn theo hình vẽ dưới đây gồm: - Một thân tuabin cao áp; - Một thân tuabin trung áp; - Một thân tuabin hạ áp; - Hai bình trao đôie nhiệt cao áp: CA5 và CA4; - Ba bình trao đổi nhiệt hạ áp: HA3,HA2 và HA1; - Hai bộ hâm nước - Nước xả liên tục từ bao hơi sẽ được đưa qua bộ phân ly hơi: hơi nước sau phân ly sạch sẽ được đưa vào bình khử khí; nước từ bình phân ly sẽ được gia nhiệt cho bình nước cấp bổ sung, trước khi đua vào bình khử khí. - Sơ đồ này là một trong những sơ đồ cơ bản, được áp dụng ở phần lớn các nhà máy nhiệt điện 300MW, có một số bộ tái nhiệt trung gian.1: Sơ đồ nguyên lý tổ máy 300MW 7 Hình 2.2: Đồ thị i-s thê hiện quá trình giãn nỡ của dòng hơi trong tuabin 2.2 Lập bảng thông sô hơi và nước - Áp suất khoang hơi của bình gia nhiệt: 0,97. 𝑃𝑡𝑟 - Áp suất nước cấp ra khỏi BGNCA5: 𝑃𝑛𝑟𝐶𝐴5 = 𝑃0 .7 𝑏𝑎𝑟 Do áp suất này được tính theo áp suất hơi cộng ngược về phia bao hơi (chọn khoảng 10%).

Do trở lực đường nước của mỗi bộ hâm nước (chọn: 3 bar) - Trở lực đường nước tại các BGNCA:3 bar - Trở lực đường nước tại các BGNHA:2 bar - Độ gia nhiệt không tới mức của các BGN: BGNCA là 2°𝐶, BGNHA là 3°𝐶 8 Thông số hơi Thông số đường nước Điểm Thiết bị (bar ( (bar ( ( ( ( (bar ( 0 167 538 3399 0' 162 536 3399 1 CA5 48.1: Bảng thông số hơi và nước 2.3 Cân bằng hoi và nước trong tuabin Tổn thất hơi và nước trong nhà máy nhiệt điện chia làm 2 loại đó là tổn thất trong và tổn thất ngoài. Nó gây ra tông thất nhiệt tương ứng tổn thất hơi và nước, ảnh hưởng xâu tới độ kinh tế nhiệt và làm giảm hiệu suẩt của nhà máy. Tổn thất này được bù lại bằng nước bổ sung ❖ Tổn thất trong Tổn thất rò rỉ của hơi và nước ngưn trong hệ thống thiết bị và ông dẫn của bản thân nhà máy. Nguyê nhân của tổn thất rò rỉ là do những chỗ không kín như nối ống bằng mặt bích, tổn thất trong các van an toàn, tổn thất nước đọng trên đường ống, ở các van và thiết bị khác.

Tổn thất rò rỉ phân bố trên toàn bộ đường hơi và nước trong toàn nhà máy, tập trung hơn ở những chỗ có thông số cao nhất (áp suất và nhiệt độ). Để đơn giản trong việc tình toán sơ bộ thiệt người ta quy ước tổn thất rò rỉ tập trung trên toàn bộ đường hơi mới Tổn thất nước xả của lò hơi và tiêu hao cho các nhu cầu kỹ thuật (dùng để làm vệ sinh, sấy nhiên liệu) ❖ Tổn thất ngoài. Ờ nhà máy điẹn nhưng hơi không có tổn thất ngoài, mà tổn thát này chỉ có ở trung tâm nhiệt điện. Các thông số cho trước: - Lượng hơi trích cho ejector: 𝛼𝑒𝑗 =0,007 - Lượng hơi chèn tuabin: 𝛼𝑐ℎ =0,008 - Lượng hơi rò rỉ: 𝛼𝑟𝑟 =0,0011 - Lượng nước xả lò: 𝛼𝑥𝑎 =0,012 - Lượng nước cấp vào lò: 𝛼𝑛𝑐 = 1 + 𝛼𝑐ℎ + 𝛼𝑒𝑗 + 𝛼𝑟𝑟 + 𝛼𝑥𝑎 = 1.0281 9 - Lượng hơi chèn và hơi ejector thu hồi lại được: 0,5(𝛼𝑐ℎ + 𝛼𝑒𝑗 ) - Lưu lượng nước bổ sung vào chu trình: 𝑏𝑜 𝛼𝑏𝑠 = 𝛼𝑥𝑎 + 𝛼𝑟𝑟 + 0,5(𝛼𝑐ℎ + 𝛼𝑒𝑗 ) 2.4 Tính toán cân băng nhiệt và vật chất cho sơ đồ nguyên lý 2.1 Tính toán cân bằnh cho bình phân ly và bình gia nhiệt nước bổ sung 2.1 Tính toán cân bằng bình phân ly Nước xả lò hơi có lưu lượng tương đối là 𝛼𝑥𝑎 với entanpy là entanpy của nước bão hòa ở áp suất trong bao hơi.

Áp suất trong bao hơi thường được chọn cao hơn 10% so với áp suất hơi mới Hình 2.3: Sơ đô cân bằng bình phân ly Hơi phân ly thường được đưa vào bình khử khí với lưu lượng 𝛼ℎ và entanpy , 𝑖ℎ = 𝑖𝐵𝑃𝐿 + 𝑥. Áp suất bình phân ly chọn cáo hơn áp suất bình khử khí 0,5 bar. Độ khô của hơi này thường được chọn để tính toán là 0,96÷0,98, ta chọn x=0,98 𝑏𝑜 Nước ra khỏi bình phân ly là nước sôi có lưu lượng 𝛼𝑥𝑎 và entanpy là entanpy của , nước bão hòa ở áp suất bình phân ly 𝑖𝑥𝑎. Ta có: 10 Phương trình cân bằng vật chất cho bình phân ly: 𝑏𝑜 𝛼𝑥𝑎 = 𝛼ℎ + 𝛼𝑥𝑎 Phương trình cân bằng nhiệt cho bình phân ly: , 𝑏𝑜 , 𝛼𝑥𝑎.

𝑖𝑥𝑎 STT Tên đại lượng Công thức Giá trị Đơn vị Áp suất bình 1 9.13 bar phân ly 2 Áp suất bao hơi =1,1 189.7 bar Entanpy của 3 1775.5 kJ/kg nước xả lò Lưu lượng nước 4 0.012 xả Entanpy của 5 nước sôi ra khỏi 745.41 kJ/kg BPL Độ khô hơi ra 6 x 0.98 khỏi BPL Entanpy của hơi 7 2733.04 kJ/kg ra khỏi BPL Nhiệt ẩn hóa 8 hơi tại áp suất r 2028.