I. Toàn cảnh quy trình sản xuất điện tại Nhà máy nhiệt điện Hải Phòng
Việc vận hành máy phát điện là khâu then chốt trong quy trình sản xuất điện năng phức tạp tại Nhà máy nhiệt điện Hải Phòng. Để hiểu rõ quy trình vận hành, cần có cái nhìn tổng quan về chu trình công nghệ của toàn nhà máy. Nhà máy có tổng công suất 1.200MW, bao gồm 4 tổ máy hoạt động độc lập, mỗi tổ máy là một khối thống nhất gồm lò hơi, tua bin và máy phát. Nguồn nhiên liệu chính là than hoạt tính (than cám 5 và 6a) từ các mỏ Hòn Gai, Cẩm Phả, với sự hỗ trợ của dầu FO trong giai đoạn khởi động hoặc vận hành non tải. Chu trình nhiệt của nhà máy là một chu trình kín, bắt đầu từ việc đốt than để tạo ra hơi nước áp suất cao. Hơi nước này làm quay các tầng tua bin cao áp, trung áp và hạ áp, từ đó truyền động năng cho máy phát điện. Sau khi qua tua bin, hơi nước được ngưng tụ tại bình ngưng và quay trở lại chu trình. Toàn bộ quá trình này đòi hỏi sự phối hợp nhịp nhàng giữa hàng loạt hệ thống phụ trợ như hệ thống cung cấp nhiên liệu, xử lý nước, xử lý nước thải, và đặc biệt là hệ thống làm mát. Máy phát điện đóng vai trò trung tâm, biến đổi cơ năng từ tua bin thành điện năng, hòa vào lưới điện quốc gia. Do đó, quy trình vận hành máy phát điện không chỉ đơn thuần là khởi động hay dừng máy, mà còn bao gồm việc giám sát liên tục các thông số, xử lý sự cố và bảo dưỡng định kỳ để đảm bảo hiệu suất và an toàn tuyệt đối cho toàn bộ hệ thống.
1.1. Sơ đồ chu trình nhiệt và vai trò cốt lõi của máy phát điện
Chu trình nhiệt tại Nhà máy nhiệt điện Hải Phòng là một chu trình Rankine siêu tới hạn, được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Nước cấp sau khi được xử lý và khử khoáng sẽ đi qua bộ hâm, vào bao hơi rồi tuần hoàn qua các ống sinh hơi trong lò để biến thành hơi bão hòa. Hơi này tiếp tục được gia nhiệt qua các bộ quá nhiệt để đạt thông số yêu cầu trước khi vào tua bin cao áp. Năng lượng của dòng hơi làm quay tua bin, sau đó hơi được quay lại lò để tái quá nhiệt trước khi vào tua bin trung áp và hạ áp. Cuối cùng, hơi được ngưng tụ thành nước trong bình ngưng và được bơm trở lại chu trình. Trong chuỗi biến đổi năng lượng này, máy phát điện là thiết bị cuối cùng và quan trọng nhất, có nhiệm vụ chuyển đổi cơ năng quay của trục tua bin thành điện năng. Hiệu quả của toàn bộ chu trình phụ thuộc lớn vào sự ổn định và hiệu suất của máy phát điện và các hệ thống phụ trợ đi kèm.
1.2. Giới thiệu tổng quan Công ty Cổ phần Nhiệt điện Hải Phòng
Công ty Cổ phần Nhiệt điện Hải Phòng là chủ đầu tư của hai dự án lớn: Nhà máy nhiệt điện Hải Phòng 1 và 2, với tổng công suất 1.200MW (4x300MW). Được thành lập vào năm 2002, công ty có vai trò chiến lược trong việc cung cấp điện năng an toàn, ổn định cho vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ, đặc biệt là thành phố Hải Phòng và các khu công nghiệp lân cận. Theo Quyết định số 1186/QĐ-TTg, dự án được xây dựng tại xã Tam Hưng, huyện Thủy Nguyên. Với cơ cấu tổ chức theo mô hình trực tuyến - chức năng, công ty đảm bảo vận hành hiệu quả các phân xưởng chuyên môn như Phân xưởng Vận hành, Phân xưởng Điện - Tự động, và Phân xưởng Nhiên liệu. Việc nghiên cứu sâu về quy trình vận hành máy phát điện tại đây cung cấp những dữ liệu thực tiễn quý giá, phản ánh công nghệ và tiêu chuẩn quản lý của một trong những nhà máy nhiệt điện hiện đại nhất Việt Nam.
II. Khám phá cấu tạo phức tạp của máy phát điện 300MW Fuji
Để thực hiện quy trình vận hành máy phát điện một cách an toàn và hiệu quả, việc nắm vững cấu tạo chi tiết của thiết bị là yêu cầu bắt buộc. Máy phát điện tại Nhà máy nhiệt điện Hải Phòng do hãng Fuji (Nhật Bản) chế tạo, là loại máy phát đồng bộ ba pha, công suất 300MW. Cấu tạo của máy phát bao gồm hai thành phần chính là phần tĩnh (Stator) và phần quay (Rotor), cùng với nhiều hệ thống phụ trợ tinh vi. Stator có nhiệm vụ đỡ lõi thép, cuộn dây và các bộ làm mát, đồng thời tạo ra các đường tuần hoàn cho khí H2. Lõi thép Stator được chế tạo từ vật liệu thép Silic có độ thẩm từ cao để giảm tổn thất. Rotor là một khối thép đặc được đúc chân không, trên thân có các rãnh để đặt cuộn dây kích từ. Một trong những công nghệ nổi bật là GVPI (Thẩm thấu toàn phần cách điện trong chân không), đảm bảo hệ thống cách điện của cuộn dây Stator có độ tin cậy vượt trội. Các hệ thống phụ trợ như gối trục, vành chèn, hệ thống dầu bôi trơn và hệ thống làm mát bằng khí Hydro (H2) đóng vai trò sống còn trong việc duy trì điều kiện vận hành ổn định, giảm ma sát và tản nhiệt hiệu quả. Hiểu rõ từng bộ phận giúp nhân viên vận hành đưa ra các quyết định chính xác khi giám sát và xử lý sự cố.
2.1. Cấu trúc chi tiết của Stator và cuộn dây công nghệ GVPI
Stator của máy phát điện Fuji bao gồm khung Stator, lõi thép và cuộn dây. Khung Stator là một cấu trúc thép hàn vững chắc, chịu được áp lực thủy lực lên tới 8 bar, đảm bảo độ kín khít chống lọt khí H2. Lõi thép được ghép từ nhiều lá thép Silic mỏng, phủ sơn cách điện, được ép chặt dưới áp lực cao để tạo thành một khối vững chắc. Thiết kế này giúp giảm tổn thất do dòng điện xoáy (dòng Foucault). Điểm đặc biệt là cuộn dây Stator được áp dụng công nghệ cách điện tiên tiến GVPI. Toàn bộ khung dây sau khi lắp vào lõi thép sẽ được đưa vào môi trường chân không và thẩm thấu nhựa Epoxy. Công nghệ này giúp loại bỏ hoàn toàn bọt khí, tăng cường độ bền cơ học và khả năng cách điện, nâng cao tuổi thọ và độ tin cậy của máy phát. Đây là công nghệ lần đầu tiên được sử dụng tại Việt Nam trên các máy phát điện công suất lớn.
2.2. Thiết kế Rotor vành băng đa và hệ thống làm mát bằng khí H2
Rotor là phần quay của máy phát, được chế tạo từ một khối thép non đúc chân không để đảm bảo không có khuyết tật vật liệu. Trên thân Rotor có các rãnh để đặt cuộn dây kích từ, được làm từ các thanh đồng dẹt mạ bạc có rãnh thông gió. Lực ly tâm của cuộn dây được giữ bởi các nêm chèn và vành băng đa làm từ thép không từ tính chịu lực cao. Hệ thống làm mát của máy phát sử dụng khí H2 tuần hoàn. Khí H2 có khả năng truyền nhiệt tốt hơn không khí nhiều lần, giúp tản nhiệt hiệu quả từ Stator và Rotor. Khí H2 nóng được quạt hướng trục đẩy qua các bộ làm mát H2 (cooler) đặt dọc thân Stator. Tại đây, nhiệt được trao đổi với nước làm mát tuần hoàn kín, sau đó khí H2 lạnh được đưa trở lại làm mát máy phát, tạo thành một chu trình khép kín.
2.3. Các hệ thống phụ trợ Vai trò của gối trục và vành chèn dầu
Hệ thống gối trục và vành chèn là hai bộ phận phụ trợ nhưng có vai trò cực kỳ quan trọng. Gối trục (bearing) có nhiệm vụ đỡ trục Rotor, đảm bảo Rotor quay trơn tru với ma sát tối thiểu. Bề mặt gối trục được lót một lớp kim loại trắng (hợp kim Babbitt) và được bôi trơn liên tục bằng hệ thống dầu tuần hoàn áp lực. Để giảm ma sát khi khởi động và dừng máy, hệ thống dầu nâng trục (jaking oil) áp suất cao sẽ được sử dụng. Trong khi đó, vành chèn dầu được lắp đặt để ngăn chặn sự rò rỉ của khí H2 từ bên trong thân máy phát ra ngoài. Hệ thống này hoạt động bằng cách duy trì một màng dầu chèn có áp suất cao hơn áp suất khí H2 trong máy, tạo ra một lớp đệm kín hoàn hảo giữa trục quay và vỏ máy. Sự vận hành tin cậy của hai hệ thống này là điều kiện tiên quyết cho sự an toàn của toàn bộ tổ máy.
III. Hướng dẫn giám sát thông số vận hành máy phát điện tối ưu
Giám sát chặt chẽ các thông số vận hành là nhiệm vụ cốt lõi trong quy trình vận hành máy phát điện hàng ngày. Việc duy trì các thông số trong giới hạn cho phép không chỉ đảm bảo máy phát hoạt động ổn định mà còn giúp phát hiện sớm các nguy cơ tiềm ẩn, ngăn ngừa sự cố nghiêm trọng. Các thông số quan trọng cần được theo dõi liên tục bao gồm nhiệt độ, áp suất, mức dầu và độ rung. Cụ thể, nhiệt độ cuộn dây và lõi Stator cần được giữ ở mức xấp xỉ 90°C và không vượt quá 110°C. Áp suất khí H2 trong thân máy phát được duy trì trong khoảng 3 barG. Độ sạch của khí H2 phải luôn lớn hơn 97% để đảm bảo hiệu quả làm mát. Các thiết bị đo lường và giám sát chuyên dụng, như cặp nhiệt điện trở Pt100, cảm biến áp suất, cảm biến độ rung, đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp dữ liệu chính xác và kịp thời cho hệ thống điều khiển DCS. Nhân viên vận hành phải thường xuyên kiểm tra các giá trị này trên màn hình giám sát, so sánh với giá trị định mức và có hành động can thiệp ngay lập tức khi có cảnh báo. Việc ghi chép nhật ký vận hành đầy đủ cũng là một phần không thể thiếu để phân tích xu hướng và lập kế hoạch bảo trì.
3.1. Bảng thông số vận hành chuẩn về nhiệt độ và áp suất
Việc tuân thủ nghiêm ngặt bảng thông số vận hành là nền tảng của sự an toàn. Dưới đây là các giá trị tiêu biểu cần giám sát:
- Nhiệt độ cuộn dây Stator: Giá trị bình thường khoảng 90°C, giá trị báo động là ≥ 110°C.
- Nhiệt độ kim loại gối trục: Gối trục số 1 và 2 có ngưỡng báo động là ≥ 105°C, trong khi gối trục số 3 là ≥ 90°C.
- Nhiệt độ khí H2 đầu ra bộ làm mát: Luôn duy trì dưới 48°C, báo động khi ≥ 53°C.
- Áp suất khí H2 trong thân máy phát: Áp suất làm việc là 3 barG, báo động thấp khi ≤ 2,85 barG.
- Áp suất dầu chèn: Duy trì chênh áp giữa dầu chèn và khí H2 khoảng 1,2 bar. Báo động khi chênh áp ≤ 0,8 bar.
- Độ sạch H2: Giá trị bình thường > 97%, báo động khi ≤ 90%. Các giá trị này được theo dõi liên tục qua hệ thống DCS và bất kỳ sai lệch nào cũng cần được điều tra và khắc phục kịp thời.
3.2. Vai trò của các thiết bị đo lường và giám sát chuyên dụng
Hệ thống giám sát tại Nhà máy nhiệt điện Hải Phòng sử dụng các thiết bị đo lường có độ chính xác cao từ các hãng uy tín như Okazaki và Fuji. Nhiệt độ cuộn dây và lõi Stator được đo bằng các nhiệt điện trở Pt100 và cặp nhiệt điện loại K. Áp suất khí H2 được giám sát bằng cảm biến áp suất có dải đo 0-8 bar. Độ rung của gối trục được theo dõi bằng các cảm biến từ tính, với ngưỡng cảnh báo là 125μm và ngưỡng trip là 250μm tại tốc độ 3000 vòng/phút. Ngoài ra, còn có các hệ thống giám sát chuyên biệt như bộ giám sát lõi máy phát (GCM-X) để phát hiện sớm hiện tượng quá nhiệt cục bộ và bộ giám sát điện áp trục để ngăn ngừa dòng điện rò qua gối trục. Sự tin cậy của các thiết bị này là yếu tố quyết định, đảm bảo cung cấp dữ liệu trung thực cho việc ra quyết định vận hành máy phát điện.
IV. Quy trình khởi động máy phát điện theo tiêu chuẩn an toàn
Quy trình khởi động máy phát điện là một chuỗi các thao tác phức tạp, đòi hỏi sự tuân thủ nghiêm ngặt về điều kiện và trình tự để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho con người và thiết bị. Bất kỳ sai sót nào trong giai đoạn này đều có thể dẫn đến những hư hỏng nghiêm trọng. Trước khi bắt đầu, nhân viên vận hành phải kiểm tra và xác nhận tất cả các hệ thống phụ trợ đã sẵn sàng. Điều này bao gồm hệ thống dầu bôi trơn, hệ thống dầu chèn, hệ thống làm mát và hệ thống kích từ. Một trong những bước đầu tiên và quan trọng nhất là cấp nước làm mát cho các bộ làm mát H2. Quá trình này phải được thực hiện cẩn thận để điền đầy nước vào hệ thống và xả hết không khí ra ngoài, đảm bảo không có túi khí nào cản trở quá trình trao đổi nhiệt. Sau khi hệ thống làm mát sẵn sàng, các hệ thống dầu sẽ được khởi động để tạo lớp màng bôi trơn tại gối trục và thiết lập áp suất chèn tại vành chèn. Chỉ khi tất cả các điều kiện tiên quyết này được thỏa mãn, tín hiệu cho phép khởi động tua bin-máy phát mới được đưa ra. Việc tuân thủ từng bước trong quy trình vận hành máy phát điện là chìa khóa để khởi động thành công và an toàn.
4.1. Các điều kiện tiên quyết bắt buộc trước khi khởi động
Trước khi thực hiện lệnh khởi động máy phát điện, một danh sách kiểm tra (checklist) các điều kiện tiên quyết phải được hoàn thành. Các điều kiện này bao gồm:
- Hệ thống nước làm mát tuần hoàn kín phải được điền đầy và xả khí hoàn toàn.
- Hệ thống dầu bôi trơn và dầu nâng trục phải hoạt động, đảm bảo áp suất dầu đến các gối trục đạt yêu cầu.
- Hệ thống dầu chèn phải được khởi động, với áp suất dầu chèn cao hơn áp suất khí trong máy phát theo giá trị đặt.
- Các van cấp và xả của hệ thống khí H2, CO2 phải ở đúng vị trí.
- Hệ thống kích từ và hệ thống bảo vệ rơle đã được kiểm tra và sẵn sàng làm việc.
- Không có cảnh báo lỗi nào từ các thiết bị giám sát. Việc xác nhận tất cả các điều kiện này đảm bảo rằng máy phát và các hệ thống liên quan đang ở trạng thái an toàn nhất để bắt đầu quá trình quay và tăng tốc.
4.2. Trình tự các bước cấp nước làm mát cho bộ làm mát Hydro
Cấp nước cho bộ làm mát H2 là một trong những bước đầu tiên trong quy trình khởi động. Trình tự chính xác như sau:
- Kiểm tra và đóng các van: Đóng tất cả các van cấp nước làm mát (PGB12-001 đến 004), van trở về (PGB22-001 đến 004), và các van xả đọng.
- Mở van cấp và van xả khí: Mở từ từ các van cấp nước làm mát và các van xả khí (PGB22-501 đến 504) để bắt đầu điền nước vào hệ thống.
- Xả khí: Giữ các van xả khí mở cho đến khi dòng nước chảy ra liên tục, không còn bọt khí. Điều này đảm bảo toàn bộ không khí đã được đẩy ra khỏi các bộ làm mát H2.
- Hoàn tất: Đóng chặt các van xả khí và mở hoàn toàn các van cấp nước. Hệ thống lúc này đã sẵn sàng cho việc trao đổi nhiệt khi máy phát điện vận hành. Việc thực hiện đúng trình tự này giúp ngăn ngừa hiện tượng xâm thực và đảm bảo hiệu quả làm mát tối đa cho khí Hydro.
V. Top các sự cố thường gặp khi vận hành và cách xử lý nhanh
Trong quá trình vận hành máy phát điện, việc xảy ra các sự cố là không thể tránh khỏi. Điều quan trọng là khả năng nhận biết, phân loại và xử lý nhanh chóng để giảm thiểu thiệt hại và thời gian ngừng máy. Các sự cố có thể được phân loại thành hai nhóm chính: các sự cố yêu cầu ngừng máy khẩn cấp và các sự cố không cần ngừng máy ngay lập tức nhưng cần được theo dõi và khắc phục. Nhóm đầu tiên bao gồm các tình huống nguy hiểm như ngắn mạch trong cuộn dây Stator, chạm đất Rotor, mất kích từ, hoặc nhiệt độ gối trục tăng quá cao. Trong những trường hợp này, hệ thống bảo vệ rơle sẽ tự động tác động để cắt máy phát ra khỏi lưới và dừng khẩn cấp tổ máy. Nhóm thứ hai bao gồm các vấn đề như rò rỉ nhẹ đường ống của bộ làm mát H2, chổi than đánh lửa bất thường, hoặc độ rung tăng nhẹ. Đối với những sự cố này, nhân viên vận hành cần phân tích nguyên nhân, tăng cường giám sát và lên kế hoạch xử lý trong lần dừng máy kế tiếp. Việc nắm vững các sự cố thường gặp và quy trình xử lý tương ứng là một kỹ năng thiết yếu, quyết định đến độ tin cậy và tính sẵn sàng của nhà máy điện.
5.1. Phân loại sự cố Các trường hợp ngừng và không ngừng máy
Các sự cố trong vận hành máy phát điện được phân loại dựa trên mức độ nghiêm trọng. Các sự cố ngừng máy phát điện là những tình huống đe dọa trực tiếp đến an toàn của thiết bị, yêu cầu phải dừng hoạt động ngay lập tức. Ví dụ điển hình bao gồm: ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây Stator, chạm đất hai điểm cuộn dây Rotor, nhiệt độ gối trục tăng quá giới hạn trip (ví dụ: > 120°C), mất nước làm mát hoặc áp suất khí H2 giảm quá thấp. Ngược lại, các sự cố không đi ngừng máy phát điện là những hiện tượng bất thường nhưng chưa gây nguy hiểm tức thời. Các ví dụ bao gồm: nhiệt độ khí H2 đầu ra bộ làm mát tăng cao nhưng vẫn dưới ngưỡng trip, mài mòn chổi than không đều, hoặc rò rỉ dầu ở mức độ nhẹ. Trong trường hợp này, nhân viên vận hành sẽ tiến hành giảm tải nếu cần thiết và tìm cách khắc phục mà không làm gián đoạn việc phát điện.
5.2. Nguyên nhân và giải pháp cho hư hỏng Rotor và rò rỉ H2
Hai trong số những sự cố đáng lo ngại là hư hỏng Rotor và rò rỉ khí H2. Hư hỏng Rotor, đặc biệt là chạm đất cuộn dây kích từ, thường xảy ra do lớp cách điện bị lão hóa hoặc hư hỏng cơ học. Khi xảy ra chạm đất một điểm, máy phát vẫn có thể vận hành nhưng cần giám sát chặt chẽ. Tuy nhiên, nếu xuất hiện điểm chạm đất thứ hai, nó sẽ tạo ra một mạch ngắn, gây dòng điện lớn và có thể phá hủy cuộn dây Rotor. Giải pháp là phải dừng máy và tiến hành xác định vị trí, sửa chữa cách điện. Sự cố rò rỉ khí H2 từ bộ làm mát hoặc hệ thống vành chèn cũng rất nguy hiểm, vì hỗn hợp H2 và không khí có thể gây nổ. Nguyên nhân thường do ăn mòn đường ống hoặc hỏng hóc các vòng đệm. Cách xử lý là nhanh chóng xác định vị trí rò rỉ bằng các thiết bị chuyên dụng, cô lập bộ làm mát bị hỏng (nếu thiết kế cho phép) hoặc lên kế hoạch dừng máy để sửa chữa, thay thế.
