Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Tổng quan về nhà máy nhiệt điện (Mã môn học: KTĐ19MH56) được biên soạn theo Quyết định số 195/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam). Nhóm tác giả biên soạn gồm Nguyễn Lê Cương, Lê Thị Thu Hường và Nguyễn Xuân Thịnh.

Trong chương trình đào tạo nghề Vận hành nhà máy nhiệt điện (trình độ Cao đẳng), môn học có thời lượng 30 giờ (bao gồm 28 giờ lý thuyết và 02 giờ kiểm tra định kỳ, tương đương 02 tín chỉ), thuộc khối các môn học/mô đun chuyên môn ngành, nghề (mã phân loại II.2). Học phần được bố trí giảng dạy sau khi người học đã hoàn thành các môn học chung và khối kiến thức cơ sở (như Nhiệt kỹ thuật, Điện kỹ thuật cơ bản, An toàn điện).

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định rõ trên ba phương diện:

  • Kiến thức: Giúp người học trình bày được tổng thể các hệ thống công nghệ, nguyên lý làm việc và thiết bị trong nhà máy nhiệt điện; phân tích sơ đồ cấu tạo và các chu trình chuyển đổi năng lượng nhiệt - cơ - điện.
  • Kỹ năng: Tính toán được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, xác định hiệu suất lò hơi, tổn thất năng lượng và đánh giá chế độ làm việc của tổ máy nhiệt điện.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Hình thành tính cẩn thận, phương pháp làm việc chính xác, tỉ mỉ và nghiêm túc trong công tác vận hành hệ thống năng lượng công nghiệp.

Giáo trình tiếp cận hệ thống nhà máy điện dưới góc độ một chu trình chuyển hóa năng lượng khép kín với môi chất làm việc là nước và hơi nước. Nội dung tài liệu liên kết logic từ khâu tiếp nhận - sơ chế nhiên liệu, buồng đốt sinh hơi, quá trình giãn nở sinh công trong tua bin đến việc tối ưu hóa hiệu suất nhiệt của toàn bộ chu trình nhiệt điện.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Giáo trình được cấu trúc thành 05 chương chuyên đề:

  • Chương 1: Tổng quan về nhà máy nhiệt điện: Trình bày khái niệm cơ bản về nhà máy điện như một trung tâm chuyển đổi năng lượng trung gian qua các công đoạn: Hóa năng (nhiên liệu) $\rightarrow$ Nhiệt năng (hơi nước qua lò hơi) $\rightarrow$ Cơ năng (tua bin) $\rightarrow$ Điện năng (máy phát). Chương này cũng so sánh các đặc thù công nghệ giữa nhà máy nhiệt điện truyền thống và nhà máy điện hạt nhân (về nhiệt độ hơi từ 482°C đến 565°C, áp suất 1800 psig đến 3600 psig so với 285°C và 960 psig ở lò phản ứng hạt nhân). Phần cuối chương khái quát hiện trạng hệ thống điện Việt Nam với cấu trúc 3 miền, mạng lưới đường dây siêu cao áp 500 kV Bắc - Nam và bảng thống kê công suất đặt của các nhà máy điện (Hòa Bình, Phả Lại, Bà Rịa, Phú Mỹ...).
  • Chương 2: Hệ thống cấp nhiên liệu: Phân loại nhiên liệu công nghiệp thành nhiên liệu hữu cơ (rắn, lỏng, khí) và vô cơ (Urani). Phân tích chi tiết quy trình vận hành và cấu tạo của hệ thống dầu DO (yêu cầu tồn trữ tối thiểu 7 ngày đầy tải), hệ thống đá vôi ($\text{CaCO}_3$, cỡ hạt 0 $\div$ 1 mm dùng khử lưu huỳnh trong lò tầng sôi tuần hoàn) và hệ thống than bột (tính lưu động, dung trọng $0,45 \div 0,5\text{ t/m}^3$ tăng lên $0,8 \div 0,9\text{ t/m}^3$, giới hạn an toàn nổ với nồng độ oxy $< 15%$, hàm lượng chất bốc $< 10%$, nồng độ nguy hiểm $0,3 \div 0,6\text{ kg/m}^3$). Chương này còn giới thiệu cấu tạo kho than, máy cấp than, máy nghiền than, thiết bị phân ly và ống dẫn than bột với vận tốc dòng khí $30\text{ m/s}$.
  • Chương 3: Lò hơi: Khảo sát lò thu hồi nhiệt (HRSG - Heat Recovery Steam Generator) đa cấp áp lực trong chu trình hỗn hợp. Giới thiệu các thông số kỹ thuật cốt lõi ($P_{qn}$, $t_{qn}$), các định nghĩa sản lượng hơi (định mức $D_{đm}$, cực đại $D_{max} = (1,1 \div 1,2)D_{đm}$, kinh tế $D_{kt} = (0,8 \div 0,9)D_{đm}$), công thức tính hiệu suất lò hơi $\eta = \frac{D(i_{qn} - i'_{hn})}{B \cdot Q_t^{lv}}$ và năng suất bốc hơi bề mặt $S = D/H$. Phân loại chi tiết các dạng buồng lửa: buồng lửa ghi thủ công, ghi quay, ghi lắc, ghi nghiêng, ghi nghiêng dồn cấp, buồng lửa đưa nhiên liệu từ dưới lên, buồng lửa ghi xích (ghi xích thanh và ghi xích vẩy cá) và buồng lửa kiểu hất than (cơ khí, khí nén, hỗn hợp). Mô tả kết cấu dàn ống sinh hơi (ống lên $\phi 40 \div 63\text{ mm}$, bước ống $s/d = 1,2 \div 1,4$, ống xuống $\phi 125 \div 175\text{ mm}$), cụm Pheston, bao hơi và các loại bộ quá nhiệt (đối lưu, nửa bức xạ, bức xạ) cùng các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt qua bộ giảm ôn.
  • Chương 4: Tua bin: Phân tích nguyên lý làm việc của tua bin hơi nước, các cấu hình tua bin ngưng tụ, hoàn nhiệt (regeneration), gia nhiệt lại (reheat) và kết cấu casing (1 casing, nhiều casing, rotor hai dòng hơi double flow rotor). Đi sâu vào kết cấu vòi phun (nozzle block, vòi phun hội tụ), chuyển đổi năng lượng P-V, hệ thống chèn trục labyrinth seal, nguyên lý chuyển đổi năng lượng trong các tầng cánh xung lực (tầng Curtis, Rateau) và tầng cánh phản lực. Phân tích các dạng tổn thất nhiệt nội tại như tổn thất Profin, tổn thất xoáy ở mép ra, tổn thất gốc và đỉnh cánh.
  • Chương 5: Độ kinh tế nhiệt và các chỉ tiêu năng lượng của nhà máy nhiệt điện: Trình bày phương pháp tính toán độ kinh tế nhiệt trong các phương án sản xuất điện năng riêng lẻ và phối hợp; phân tích sơ đồ nguyên lý chu trình nhiệt có quá nhiệt trung gian, hệ thống gia nhiệt - hồi nhiệt nước cấp và bồn khử khí (deaerator).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập các khối lý thuyết kỹ thuật nhiệt - điện:

  • Lý thuyết nhiệt động học chu trình Rankine và chu trình hỗn hợp: Thiết lập mối liên hệ giữa nhiệt trị nhiên liệu ($Q_t^{lv}$), enthalpy môi chất ($i_{qn}, i'{hn}$) và hiệu suất biến đổi năng lượng chu trình đơn ($\text{GT}{eff} = 0,38$) so với chu trình hỗn hợp ($\text{CCPP}_{eff} = 0,55$).
  • Nguyên lý khí động và quá trình cháy: Động học quá trình oxy hóa cacbon, cơ chế tạo thành $\text{CO}_2$ và phản ứng hoàn nguyên $\text{CO}$ trên mặt ghi; cơ chế truyền nhiệt bức xạ qua cuốn lò và truyền nhiệt đối lưu qua chùm ống pheston.
  • Cơ học chất khí và biến đổi năng lượng trong tuabin: Quá trình tiết lưu, giãn nở đoạn nhiệt trong vòi phun và sự phân bố lực tác dụng lên cánh xung lực/phản lực.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Nhận dạng, đọc hiểu bản vẽ cấu tạo và sơ đồ nguyên lý của các thiết bị cơ khí - nhiệt (lò HRSG, buồng lửa ghi xích, bộ quá nhiệt, van giảm ôn, bộ chèn trục, bình ngưng hotwell).
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích các yếu tố gây mất ổn định thông số hơi quá nhiệt (ảnh hưởng của dao động phụ tải, hệ số không khí thừa $\alpha$, nhiệt độ nước cấp, bám bẩn bề mặt truyền nhiệt); tính toán định lượng suy giảm hiệu suất do đóng xỉ và tạo cáu cặn.
  • Năng lực thực tế (Practical competencies): Đề xuất các giải pháp kỹ thuật vận hành kinh tế như điều chỉnh hệ số không khí thừa, sử dụng bộ tiết kiệm nhiệt ngưng tụ, điều khiển tốc độ biến tần quạt/bơm và quản lý hệ thống xả hơi tự động dựa trên độ dẫn điện và pH.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình xác lập khung phương pháp sư phạm dành riêng cho học phần lý thuyết kỹ thuật:

  • Phương pháp tiếp cận sư phạm (Pedagogical approach): Giảng viên áp dụng phương pháp dạy học tích cực, phối hợp giữa diễn giảng lý thuyết kỹ thuật, vấn đáp định hướng và dạy học theo vấn đề (Problem-Based Learning). Nội dung bài giảng được tổ chức theo từng bài/buổi dạy, gắn liền nguyên lý cấu tạo với các sự cố vận hành thực tế (như hiện tượng sốc nhiệt lò hơi, ăn mòn cánh tuabin do giọt nước, nổ than bột trong đường ống).
  • Hệ thống học liệu và phương tiện hỗ trợ: Phòng học lý thuyết chuyên môn hóa được trang bị máy chiếu, phim ảnh kỹ thuật, video mô phỏng động học quá trình cháy và giãn nở hơi, hệ thống bản vẽ chi tiết (gồm 53 hình vẽ cấu tạo cơ khí và sơ đồ chu trình) cùng phiếu học tập cá nhân/nhóm.
  • Hướng dẫn tự học và thảo luận: Học viên có trách nhiệm nghiên cứu trước nội dung tài liệu giáo trình trước khi lên lớp, thực hiện các bài tập tình huống theo nhóm và hoàn thành hệ thống câu hỏi trắc nghiệm củng cố kiến thức ở cuối mỗi chương.
  • Quy trình kiểm tra và đánh giá học phần:
    • Kiểm tra thường xuyên: Thực hiện tối thiểu 01 lần dưới các hình thức kiểm tra vấn đáp trên lớp, bài kiểm tra viết thời lượng $\le 30$ phút hoặc chấm điểm bài tập tự học.
    • Kiểm tra định kỳ: Bao gồm 02 bài kiểm tra lý thuyết viết bắt buộc, thời lượng từ 45 đến 60 phút/bài, thực hiện theo biểu mẫu và đáp án quy định.
    • Thi kết thúc môn học: Hình thức thi lý thuyết tổng hợp, thời lượng từ 45 đến 60 phút nhằm đánh giá toàn diện chuẩn đầu ra kiến thức và kỹ năng.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Tích hợp công nghệ nhiệt điện chu trình hỗn hợp hiện đại: Giáo trình cập nhật cấu trúc và nguyên lý vận hành của Lò thu hồi nhiệt (HRSG) đa cấp áp lực (bộ hâm nước, bao hơi, bộ bay hơi, bộ quá nhiệt ở các cấp hạ áp, trung áp và cao áp) kết hợp giữa tổ máy Turbine khí, Turbine hơi và máy phát.
  • Công nghệ kiểm soát phát thải và bảo vệ môi trường: Tích hợp quy trình vận hành hệ thống định lượng và nghiền đá vôi ($\text{CaCO}_3$) để cấp vào lò tầng sôi tuần hoàn nhằm khử sulfur ($\text{SO}_x$), sử dụng buồng đốt kiểu DLN (Dry Low $\text{NO}_x$) nhằm hạn chế phát thải khí ô nhiễm.
  • Phân tích định lượng về hiệu quả kinh tế nhiệt: Đưa ra các chỉ số thực nghiệm và số liệu kỹ thuật chính xác phục vụ tối ưu hóa vận hành lò hơi:
    • Vận hành hệ số không khí thừa thích hợp với nồng độ $\text{CO}_2$ tối ưu đạt 14% đối với lò đốt dầu.
    • Gia nhiệt không khí đốt: Tăng $20^\circ\text{C}$ nhiệt độ gió cấp giúp tăng $1%$ hiệu suất nhiệt của lò.
    • Định lượng tổn thất do cáu cặn: Lớp cáu cặn dày $1\text{ mm}$ làm tăng nhiệt độ khói thải khoảng $55^\circ\text{C}$; lớp cáu cặn dày $3\text{ mm}$ làm tăng mức tiêu thụ nhiên liệu thêm $2,5%$.
    • Lắp đặt biến tần điều khiển thay đổi tốc độ quạt gió cưỡng bức/cảm ứng và bơm nước cấp thay cho van tiết lưu truyền thống.
  • Dữ liệu thực tế từ hệ thống năng lượng Việt Nam: Cung cấp thông số cơ cấu nguồn điện, công suất đặt của các nhà máy điện trọng điểm (Nhà máy Thủy điện Hòa Bình 1920 MW, Phả Lại 440 MW, Phú Mỹ 2.1 - 2.2 - 3 với công suất từ 280 đến 720 MW, Bà Rịa 271 MW...) và vai trò truyền tải hai chiều của đường dây 500 kV Bắc - Nam.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Trình độ và ngành đào tạo: Giáo trình được biên soạn chuyên biệt cho học sinh, sinh viên hệ Cao đẳng và Trung cấp thuộc chuyên ngành Vận hành nhà máy nhiệt điện, Vận hành thiết bị điện trong nhà máy điện và trạm biến áp.
  • Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Trước khi học môn học này, người học bắt buộc phải hoàn thành các môn học chung/đại cương và các môn học cơ sở trong chương trình khung, bao gồm:
    • Nhiệt kỹ thuật (Mã: CNH19MH10)
    • Điện kỹ thuật cơ bản (Mã: KTĐ19MH11)
    • An toàn vệ sinh lao động (Mã: ATMT19MH01)
    • An toàn điện (Mã: KTĐ19MH1)
  • Ứng dụng đối với giảng viên: Tài liệu cung cấp cấu trúc bài giảng chuẩn hóa, danh mục hình vẽ kỹ thuật, câu hỏi trắc nghiệm đánh giá để biên soạn giáo án lý thuyết, phiếu học tập và ngân hàng đề thi định kỳ/kết thúc học phần.
  • Ứng dụng tự học và tra cứu: Kỹ thuật viên, công nhân kỹ thuật đang làm việc tại các nhà máy nhiệt điện đốt than, tuabin khí chu trình hỗn hợp có thể sử dụng giáo trình để tra cứu nguyên lý cấu tạo buồng lửa, hệ thống đường hơi, cơ chế bám bẩn bề mặt truyền nhiệt và các biện pháp tiết kiệm năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với cấp độ đào tạo nào?
Giáo trình được thiết kế cho trình độ Cao đẳng và Trung cấp nghề Vận hành nhà máy nhiệt điện, đồng thời làm tài liệu cơ sở chuyên ngành cho các ngành kỹ thuật điện, tự động hóa xí nghiệp công nghiệp.

2. Sinh viên cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi tiếp cận giáo trình?
Người học cần nắm vững kiến thức vật lý nhiệt động, nguyên lý truyền nhiệt, đo lường điện và các quy định an toàn lao động, an toàn điện đã được trang bị ở khối môn học cơ sở.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu nhiệt động thông thường là gì?
Giáo trình tập trung hoàn toàn vào cấu tạo cơ khí thực tế, sơ đồ công nghệ vận hành (P&ID) của các thiết bị chính (HRSG, buồng lửa ghi xích, vòi phun tuabin, chèn labyrinth) và phân tích các thông số vận hành thực tế thay vì đi sâu vào lý thuyết nhiệt động thuần túy.

4. Phương pháp tự học giáo trình như thế nào để đạt hiệu quả cao?
Người học cần kết hợp đọc nội dung mô tả lý thuyết với việc phân tích hệ thống sơ đồ/hình vẽ cấu tạo chi tiết (53 hình vẽ), làm đầy đủ các câu hỏi củng cố trắc nghiệm sau mỗi chương và liên hệ với các thông số vận hành định mức được nêu trong bài.

5. Giáo trình sử dụng và kế thừa những tài liệu tham khảo nào?
Nội dung giáo trình được biên soạn dựa trên các tài liệu chuyên khảo chuẩn mực trong ngành điện lực:

  • Giáo trình Phần điện trong nhà máy điện và trạm biến áp – TS. Đào Quang Thạch.
  • Giáo trình Phần điện trong nhà máy điện và trạm biến áp – Bộ môn Hệ thống điện, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng.
  • Giáo trình Trạm và nhà máy điện – ThS. Đặng Tuấn Khanh.

Kết luận

Giáo trình Tổng quan về nhà máy nhiệt điện cung cấp hệ thống kiến thức nền tảng về chu trình biến đổi năng lượng, cấu tạo thiết bị cơ nhiệt (nhiên liệu, lò hơi, buồng lửa, tua bin) và các phương pháp đánh giá độ kinh tế nhiệt trong nhà máy điện. Đây là môn học bản lề trong chương trình đào tạo nghề Vận hành nhà máy nhiệt điện, tạo tiền đề trực tiếp để học viên tiếp thu các mô đun chuyên sâu tiếp theo như Lò hơi và hệ thống thiết bị phụ (KTĐ19MH30), Tua-bin hơi và hệ thống thiết bị phụ (KTĐ19MH59) cùng các học phần thực hành vận hành tổ máy. Người học được khuyến nghị kết hợp nghiên cứu giáo trình này cùng các tài liệu tham khảo chuyên ngành của TS. Đào Quang Thạch và Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng để hoàn thiện khối kiến thức chuyên môn.