Cơ hội tối ưu hóa đồng phát nhiệt điện

Hơi nước được sản xuất trong các nhà máy công nghiệp chủ yếu để cung cấp nhiệt cho các quá trình công nghệ. Tuy nhiên, hơi nước cũng có thể dùng để tạo ra điện hoặc để quay các thiết bị quay cơ khí như máy bơm, máy nén, quạt, vv. Thông thường, điện được tạo ra thông qua các tua bin hơi. Tua bin hơi nước không tiêu thụ hơi nước và do đó không được xem xét như thiết bị sử dụng hơi nước cuối cùng. Phần này phân tích chi tiết các loại tua bin hơi nước khác nhau được dùng trong nhà máy công nghiệp và các cơ hội tối ưu hóa liên quan đến sản xuất kết hợp nhiệt và điện (CHP), hay còn gọi là đồng phát nhiệt điện.

1.Tổng quan

Một nhà máy công nghiệp khi hoạt động cần cả điện và nhiệt năng (dưới dạng nhiệt) cùng một lúc. Thông thường, nhà máy công nghiệp có hợp đồng cung cấp điện với một công ty năng lượng để cung cấp một lượng điện nhất định cho nhà máy. Có nhiều loại hợp đồng cung cấp điện  khác nhau, nhưng nói chung một nhà máy công nghiệp trả một chi phí nhất định cho lượng điện mua từ lưới điện. Điện cung cấp cho lưới điện từ các nhà máy điện trung tâm hoạt động trên cơ sở chu trình Rankine điển hình với hiệu suất nhiệt 35-42%. Điều này có nghĩa là có một lượng lớn tổn thất năng lượng vào môi trường xung quanh (thông qua tháp làm mát, nước sông, vv) tại khu vực  phát điện.

Nhà máy công nghiệp cũng mua nhiên liệu từ một công ty năng lượng để vận hành nồi hơi hoặc các thiết bị gia nhiệt quá trình cháy trực tiếp để đáp ứng nhu cầu nhiệt của nó. Cách khác, một nhà máy công nghiệp với một hệ thống hơi nước có thể vận hành một chu trình đỉnh, trong đó nó tạo ra điện thông qua một tua bin hơi nước và sau đó sử dụng hơi thoát đáp ứng các nhu cầu nhiệt của các quá trình. Hiệu suất nhiệt chung của hệ thống đồng phát nhiệt điện đó có thể là 70% hoặc cao hơn. Đây là lý do chính để thực hiện các cơ hội tối ưu hóa CHP trong các hệ thống công nghiệp. Có thể có một số lượng đáng kể tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm chi phí bao gồm một cấu hình cung cấp điện có độ tin cậy cao với CHP trong các nhà máy công nghiệp. Tuy nhiên, có thể cần chi phí đầu tư lớn cũng như một số chi phí vận hành phát sinh liên quan đến các cơ hội tối ưu hóa CHP.

CHP hầu như luôn hiệu quả hơn về năng lượng so với nhà máy phát điện trung tâm. Tuy nhiên, hiệu quả chi phí CHP và độ kinh tế vận hành không cần phải luôn luôn mang lại lợi ích cho các nhà máy công nghiệp. Mỗi bản phân tích CHP  công nghiệp là duy nhất và nên được thực hiện độc lập theo các nguyên tắc chính. Tính kinh tế tổng thể của vận hành CHP phụ thuộc vào các yếu tố sau đây:

  • Chi phí tác động hoặc chi phí cận biên điện
  • Chi phí tác động hoặc chi phí cận biên nhiên liệu
  • Hiệu suất nồi hơi
  • Hiệu suất tua bin hơi
  • Nhu cầu nhiệt
  • Thời gian của nhu cầu điện và nhiệt

Các câu hỏi chính thường được yêu cầu trả lời khi tối ưu hóa hoạt động của bất kỳ hệ thống CHP là:

  • Tác động kinh tế thực sự của đồng phát là gì?
  • Khi nào nó khả thi?
    • Khi hoạt động hoặc khi ngừng
    • Lắp đặt
  • Các thay đổi nào, nếu có, được yêu cầu đối với hệ thống hơi nước?
  • Các thay đổi nào, nếu có, được yêu cầu đối với hệ thống điện và kết nối lưới điện?

2.Tua bin hơi nước

Sự hiểu biết thấu đáo hoạt động tua bin hơi được yêu cầu khi tối ưu hóa hệ thống CHP sử dụng lò hơi, tua bin. Tua bin hơi là thiết bị chuyển đổi năng lượng nhiệt từ hơi nước thành cơ năng trên trục quay. Tua bin hơi nước hoạt động với hơi nước áp suất cao đi qua một vòi phun làm tăng tốc độ của hơi nước tạo thành một luồng hơi nước. Luồng hơi nước vận tốc cao này được dẫn tác động trực tiếp vào dãy cánh động. Cánh động được bố trí sao cho luồng hơi truyền năng lượng của nó thành lực tác động trên cánh. Các cánh động được gắn trên trục quay. Sau đó lực tác động trên cánh động được chuyển đổi thành mô men trục và làm trục quay. Tua bin hơi được trang bị với một lớp vỏ tĩnh bên ngoài và một trục quay bên trong. Lớp vỏ bên ngoài để chứa hơi và dùng để giữ vòi phun cũng như tất cả các bộ phận tĩnh. Trục quay được trang bị các cánh động dùng để tập trung phục vụ và truyền cơ năng từ tua bin.

Một tua bin hơi nước có thể được thiết kế với một bánh động duy nhất hoặc nhiều bánh động trên cùng một trục. Một vòi phun đơn hướng dòng hơi vào một bánh động hoặc một số vòi phun có thể hướng dòng hơi nước tới một số đoạn của một bánh động đơn. Nếu tua bin có nhiều hàng cánh động nó cũng sẽ được trang bị với nhiều hàng vòi phun. Các vòi phun dùng để thu hơi nước từ các cánh phía trước, tăng vận tốc của các hơi nước, tạo thành một luồng hơi nước tập trung, và hướng hơi nước tới các cánh động.

Tất cả các tua bin hơi nước nhận hơi nước áp suất cao và xả hơi nước áp suất thấp. Căn cứ vào hoạt động của chúng và cấu hình dòng hơi, tua bin hơi nước được phân loại như sau:

  • Đối áp
  • Trích hơi
  • Ngưng hơi
  • Kết hợp các loại trên

2.1.Tua bin đối áp

Một tua bin đối áp xả hơi nước tới một ống góp hơi với áp suất cao hơn áp suất khí quyển. Tua bin đối áp cũng được biết đến như tua bin đỉnh và tua bin không ngưng hơi. Tua bin đối áp là tua bin phổ biến nhất trong công nghiệp. Tua bin đối áp luôn luôn được sử dụng thay cho các trạm giảm áp và luôn đặt song song với trạm giảm áp giữa hai ống góp hơi. Tua bin đối áp có thể là loại tầng đơn (Hình 1.a) hoặc nhiều tầng (Hình 1.b). Nói chung, tua bin nhiều tầng hiệu suất cao hơn so với tua bin tầng đơn.

Hình 1: Tua bin hơi nước đối áp

(Tham khảo: Tập huấn Kinh nghiệm thực tiễn tốt nhất cho doanh nghiệp sử dụng hơi cuối – Bộ Năng lượng – Hoa Kỳ)

2.2.Tua bin trích hơi

Một tua bin trích hơi đối áp là một tua bin đối áp với một hoặc nhiều điểm trích hơi tại các áp suất trung gian giữa hơi nước đầu vào và hơi thoát. Tua bin trích hơi đối áp cũng có thể xem như nhiều tua bin hoạt động trên cùng một trục. Chúng thường thấy trong các nhà máy công nghiệp có nhiều ống góp hơi với nhiều cấp áp suất. Chúng là một ứng cử viên tốt cho cân bằng các ống góp hơi và loại bỏ thông hơi trên các ống góp trung gian. Hình 2 cho thấy một sơ đồ của một tua bin trích hơi đối áp.

Hình 2: tua bin trích hơi đối áp

(Tham khảo: Tập huấn Kinh nghiệm thực tiễn tốt nhất cho doanh nghiệp sử dụng hơi cuối – Bộ Năng lượng – Hoa Kỳ)

2.3.Tua bin ngưng hơi

Một tua bin ngưng hơi không xả hơi nước vào một ống góp hơi nước nhưng thay vào đó xả hơi nước dưới áp suất không khí vào bình ngưng tụ kiểu bề mặt. Chất lượng nhiệt động hơi nước thoát khỏi tua bin ngưng hơi thường là lớn hơn 90%. Nó chứa một lượng đáng kể năng lượng nhiệt khi nó đi vào bình ngưng bề mặt. Bình ngưng sử dụng nước từ tháp làm mát (hoặc nước sông) trong các ống để ngưng tụ hơi nước ở phía bên ngoài vỏ. Nước bão hòa (nước ngưng) sau đó được lấy ra từ bình ngưng và bơm trở lại nhà lò hơi. Tua bin ngưng hơi là khối có công suất lớn và được dùng chủ yếu để phát điện hoặc quay thiết bị cơ khí lớn như máy lạnh ly tâm, máy nén khí, … Hình 3 biểu thị sơ đồ cho một tua bin ngưng hơi.

Hình 3: Tua bin ngưng hơi

(Tham khảo: Tập huấn Kinh nghiệm thực tiễn tốt nhất cho doanh nghiệp sử dụng hơi cuối – Bộ Năng lượng – Hoa Kỳ)

Một tuabin ngưng hơi – trích hơi là kết hợp của một tua bin trích hơi và tua bin ngưng hơi. Nó thường được sử dụng để đáp ứng đồng thời nhu cầu hơi nước và điện năng.

3.Hiệu suất tua bin

Hiệu suất tua bin hơi nước không như hiệu suất lò hơi tuân theo Định luật số 1 về nhiệt động. Hiệu suất tua bin hơi nước liên quan đến Định luật số 2 về nhiệt động và đó là một sự so sánh giữa công sinh ra thực tế so với công lý thuyết của tua bin với cùng điều kiện hơi nước đầu vào và cùng áp suất hơi thoát. Do vậy nó còn được gọi là áp suất tua bin đẳng entropy.

Hiệu suất tua bin đẳng entropy là một so sánh về công suất trên trục từ một vận hành tua bin thực tế đối với vận hành hoàn hảo (lý tưởng) với cùng các điều kiện đầu vào và áp lực đầu ra (không phải nhiệt độ ra). Về mặt toán học, có thể biểu diễn như sau:

Ví dụ: Tính hiệu suất đẳng entropy và công trên trục sản xuất bởi một tuabin hơi nước đối áp vận hành với điều kiện hơi nước ở 25 bar và 375°C. Các điều kiện hơi thoát là 2 bar và 271°C. Lưu lượng hơi qua tua bin là 21T/h.

Các tính chất nhiệt động lực học của hơi nước thu được từ các bảng hơi nước ở nhiệt độ và điều kiện áp lực. Chúng là như sau:

Tua bin thực tế:

  • Hinlet = 3,180.9 kJ/kg        (dựa trên 25 bars và 375°C)
  • Hexit = 3,009.8 kJ/kg        (dựa trên 2 bars và 271°C)

Tua bin lý tưởng:

  • Hinlet = 3,180.9 kJ/kg        (dựa trên 25 bars và 375°C)
  • Hexit = 2,692 kJ/kg           (dựa trên 2 bars và cùng entropy với trạng thái hơi vào)

Thay thế các thông tin trên vào công thức tính hiệu suất tua bin:

Hiệu suất đẳng entropy tính toán được là 35%. Công trên trục tua bin từ tua bin thực tế là:

Công suất trên trục của tua bin lý tưởng cũng có thể được tính toán từ phương trình trên. Công suất trên trục của tua bin lý tưởng là công lớn nhất, đó là khả năng lý thuyết tạo ra được từ các điều kiện hơi nước đầu vào và áp suất thoát.

Một tuabin hơi nước có thể có một dải hiệu quả từ 15-85%. Một tuabin hơi nước với hiệu suất đẳng entropy thấp chỉ đơn thuần chỉ ra rằng khả năng để chuyển đổi nhiệt năng thành công trên  trục là không tốt. Do đó, nó bảo tồn hầu hết nhiệt năng trong hơi nước khi hơi nước thoát khỏi tua bin đối áp và được sử dụng để cung cấp cho nhu cầu nhiệt của các quá trình công nghiệp. Năng lượng này không bị mất và cũng giống như trường hợp hiệu suất lò hơi.

Điều ngoại lệ với các thảo luận ở trên là tua bin ngưng hơi, trong đó nó thải tất cả nhiệt năng của hơi thoát vào môi trường thông qua nước làm mát trong bình ngưng kiểu bề mặt.

4.Lưu lượng hơi

Lưu lượng hơi nước được sử dụng để mô tả lượng hơi nước cần thiết để sản xuất một lượng điện cụ thể. Nó được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp để xác định đặc tính tua bin thực tế. Nó có thể liên quan đến hiệu suất tua bin với các điều kiện đầu vào và áp lực thoát đã cho. Tuy nhiên, lưu lượng hơi nước phụ thuộc nhiều vào điều kiện hơi nước vào và ra. Tiết lưu đầu vào của tua bin có thể không thay đổi hiệu suất đẳng entropy của tua bin nhưng nó có thể thay đổi đáng kể lưu lượng hơi nước. Do đó, cần thận trọng khi làm việc với lưu lượng hơi nước và khi so sánh các các đặc tính tua bin bằng cách sử dụng lưu lượng hơi nước. Hình 4 cho thấy một đồ thị điển hình cho mối tương quan giữa lưu lượng hơi nước và hiệu suất tuabin.

Hình 4: Lưu lượng hơi nước và Hiệu suất tua bin hơi nước

5.Các cơ hội tối ưu hóa CHP & cách thức vận hành tối ưu

Các cơ hội tối ưu hóa CHP trong các hệ thống hơi nước công nghiệp hầu như luôn dựa trên sự hiểu biết lợi ích kinh tế của việc sửa đổi vận hành của tua bin hơi. Trong các ứng dụng CHP công nghiệp, hai cấu hình tua bin chính thường gặp là:

  • Đối áp
  • Ngưng hơi

5.1.Cơ hội tối ưu hóa CHP với tua bin đối áp

Cơ hội này đặc biệt tồn tại trong các nhà máy công nghiệp có nhiều hơn một cấp áp suất hơi nơi mà hơi được yêu cầu bởi quá trình sử dụng cuối cùng. Ngoài ra, nếu có một lưu lượng liên tục hơi nước đi qua các van giảm áp lực chỉ ra rằng nhà máy có thể là một ứng cử viên rất tốt để đánh giá một cơ hội tối ưu hóa CHP sử dụng một tua bin đối áp. Đánh giá cơ hội tối ưu hóa này sẽ yêu cầu sử dụng các mô hình nhiệt động lực học hệ thống hơi chi tiết. Phương pháp đánh giá được giải thích tốt nhất bằng cách sử dụng một ví dụ nhà máy công nghiệp dưới đây.

Ví dụ

Một lò hơi đốt khí mê tan có hiệu suất 80% sản xuất ra hơi quá nhiệt tại 25 bar và 375°C. Nhu cầu nhiệt cho quá trình công nghệ là 14,300 kW và yêu cầu hơi nước tại 2 bar. Hiện tại, hơi nước được cho đi qua trạm thiết bị giảm áp. Nước ngưng bão hoà được xả bỏ từ tải quá trình 2 bar. Ước tính lợi ích kinh tế của một cơ hội tối ưu hóa CHP bằng cách dùng một tua bin hơi nước đối áp quay một máy bơm nước yêu cầu 1000 kW điện năng. Hiệu suất đẳng entropy tua bin hơi nước dự kiến là 35%. Chi phí nhiên liệu tác động là 1 $/Nm3 và chi phí tác động sử dụng điện là 0.1 $/kWh.

Hình 5 mô tả hoạt động hiện có tại nhà máy công nghiệp. Căn cứ vào nhu cầu sử dụng nhiệt cuối cùng, lưu lượng hơi nước đi qua PRV (Van giảm áp) có thể tính như sau:

Trong đó Qenduse là nhu cầu nhiệt; hPRV là enthalpy của hơi nước ra khỏi PRV và đi vào thiết bị sử dụng cuối; và hcondensate là enthalpy của nước ngưng ra khỏi thiết bị sử dụng cuối.

Hình 5: Hoạt động hiện có tại nhà máy công nghiệp sử dụng PRV

Cơ hội tối ưu hóa CHP thực hiện bằng cách sử dụng một tua bin hơi nước đối áp, tua bin này làm giảm áp suất hơi nước từ 25 bar thành 2 bar. Tua bin sinh công để kéo máy bơm và bù đắp 1000 kW điện mua từ lưới điện. Hơi nước thoát khỏi tua bin với nhiệt độ giảm so với các PRV. Để đáp ứng cùng một nhu cầu nhiệt như trong hoạt động hiện tại, sẽ có một sự gia tăng lưu lượng  khối lượng của hơi nước. Hơi nước bổ sung này sẽ phải được sản xuất bằng lò hơi và các chi phí năng lượng nhiên liệu cho các hoạt động sẽ tăng lên. Hình 6 giới thiệu cấu hình mới của ứng dụng công nghiệp sử dụng tua bin hơi nước và CHP.

Hình 6: Cấu hình CHP tại nhà máy công nghiệp sử dụng tua bin hơi nước

So sánh hình 5 và 6 chỉ ra rằng hơi nước đi vào thiết bị sử dụng cuối cùng đã giảm nhiệt độ từ 355 °C đến 271 °C. Căn cứ vào nhu cầu sử dụng nhiệt, lưu lượng hơi đi qua tua bin hơi nước có thể tính như sau:

Trong đó Qenduse là nhu cầu nhiệt; hturbine là enthalpy của hơi thoát tua bin hơi và đi vào thiết bị sử dụng cuối; và hcondensate là enthalpy của nước ngưng thoát khỏi thiết bị sử dụng cuối.

Lượng tiết kiệm chi phí điện năng liên quan tới cơ hội tối ưu hóa CHP này được tính như sau:

Lượng gia tăng chi phí nhiên liệu liên quan tới cơ hội tối ưu hóa CHP này được tính như sau:

Do đó, lợi ích kinh tế thuần của cơ hội tối ưu hoá CHP này được cho như sau:

Ví dụ này rõ ràng cho thấy rằng cơ hội tối ưu hóa CHP không phải là một chiến lược giải pháp khả thi trong ứng dụng nhà máy công nghiệp này.

Sử dụng các thông số quan trọng ảnh hưởng đến lợi ích kinh tế của cơ hội tối ưu hóa CHP, một phân tích tham số đã được thực hiện. Kết quả từ phân tích tham số này được cung cấp trong Bảng 1 dưới đây và chỉ rõ khi nào cơ hội tối ưu hóa CHP có thể có kinh tế trong ứng dụng nhà máy công nghiệp này.

Bảng 1: Phân tích tham số cho cơ hội tối ưu hóa CHP sử dụng tua bin hơi nước đối áp

Bảng 1 được phát triển bằng cách sử dụng mô hình SSAT của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và làm một dự án sử dụng tua bin hơi nước. Chi phí điện tác động, chi phí nhiên liệu tác động, hiệu suất tua bin hơi, hiệu suất tác động nồi hơi được thay đổi để có được những kết quả được trình bày trong bảng. Một phân tích tham số chi tiết được yêu cầu thực hiện đối với từng cơ hội tối ưu hóa CHP để chứng minh và trả lời tất cả câu hỏi liên quan đến khả năng kinh tế của các cơ hội tối ưu hóa CHP.

5.2.Cơ hội tối ưu hoá CHP với tua bin ngưng hơi

Theo quan điểm xác định CHP một cách chặt chẽ, hoạt động tua bin ngưng hơi không nhất thiết thuộc về các cơ hội tối ưu hóa CHP. Tuy nhiên, chúng vẫn được đưa vào đây bởi vì các nguyên tắc phân tích là giống hệt với những gì đã được thảo luận trong trường hợp tua bin hơi đối áp. Sự khác biệt chủ yếu là hơi nước đi qua tua bin ngưng hơi không xả vào ống góp hơi nước và cũng không đáp ứng bất cứ nhu cầu nhiệt nào. Nó thực sự được ngưng tụ trong bình ngưng bề mặt tại đầu ra của tua bin. Do đó, nó sẽ mất tất cả các năng lượng nhiệt cho nước làm mát chảy trong ống của bình ngưng bề mặt. Tua bin ngưng hơi nhằm mục đích tối đa hóa sản xuất điện từ hơi nước để giảm thiểu tổn thất năng lượng nhiệt đến môi trường xung quanh.

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hoạt động của tua bin ngưng hơi là:

  • Chi phí điện ảnh hưởng
  • Chi phí nhiệt ảnh hưởng
  • Hiệu suất tua bin
  • Hiệu suất lò hơi
  • Áp suất thoát tua bin

Công suất điện tạo ra bởi tua bin là một hàm của tỷ lệ giữa áp suất đầu vào và áp suất đầu ra. Thông thường, áp lực đầu vào là áp suất hơi mới hoặc áp suất tại ống góp hơi áp suất thấp trong hệ thống hơi nước. Tuy nhiên, áp suất thoát đóng một vai trò rất quan trọng đối với lượng điện sản xuất ra. Áp suất hơi thoát của tua bin được kiểm soát bởi bình ngưng kiểu bề mặt và áp suất  này nên được duy trì gần với thiết kế càng tốt. Có một số lĩnh vực cần xem xét để đảm bảo rằng áp suất ngưng tụ như điều kiện thiết kế, bao gồm:

  • Khử các khí không ngưng từ bình ngưng
  • Làm sạch định kỳ bình ngưng
  • Cung cấp cho bình ngưng nước làm mát có nhiệt độ thấp
  • Cung cấp cho bình ngưng nước được làm mát bổ sung

Đánh giá tua bin ngưng hơi liên quan đến cơ hội tối ưu hóa CHP đòi hỏi một mô hình hệ thống nhiệt động lực học hơi nước chi tiết như công cụ SSMT của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Bảng 2 trình bày một phân tích tham số thực hiện trên một ứng dụng tua bin ngưng hơi công nghiệp, sử dụng hơi  nước đầu vào 25 bar, 375°C và hơi thoát ở mức áp suất 0,1 bar (tuyệt đối). Hiệu suất lò hơi được duy trì ở mức 80% và chi phí nhiên liệu và hiệu suất tua bin được thay đổi.

Bảng 2: Phân tích tham số đối với cơ hội tối ưu hoá CHP dung tua bin ngưng hơi

Bảng 2 cung cấp chi phí phát điện dùng tua bin ngưng hơi dựa trên hiệu suất tua bin đẳng entropy và chi phí tác động nhiên liệu khác nhau. Như quan sát được, một nhà máy công nghiệp mua điện giá 100$ cho mỗi MWh, sẽ chỉ hiệu quả về chi phí để chạy tua bin ngưng hơi nếu chi phí tác động nhiên liệu là 2.0$ mỗi GJ hoặc thấp hơn, bất kể hiệu suất tua bin được xem xét trong phân tích thế nào. Nhưng khi giá tác động nhiên liệu tăng đến 4.0$ cho mỗi GJ, hiệu suất tua bin cần phải là 60% hoặc cao hơn để có lợi về kinh tế. Tiếp tục gia tăng chi phí  tác động nhiên liệu đến $ 6.0 mỗi GJ sẽ yêu cầu hiệu suất làm việc của tua bin là 80% hoặc cao hơn. Khi chi phí đến $ 8.0 mỗi GJ và hơn nữa, vận hành CHP dung tua bin ngưng hơi sẽ không kinh tế nếu có thể được mua điện từ lưới điện 100 $ cho mỗi MWh.

Cần lưu ý rằng khi cơ hội tối ưu hóa CHP dùng tua bin ngưng hơi được thực hiện, chúng làm thay đổi lớn đến lưu lượng hơi nước. Khởi động một tua bin ngưng hơi có thể yêu cầu khởi động thêm một lò hơi khác và ngược lại, khi dừng một tua bin ngưng hơi có thể dẫn đến dừng một lò hơi. Những thay đổi này có thể thay đổi chi phí tác động lò hơi và chi phí tác động nhiên liệu. Cần phải cẩn thận để đảm bảo rằng tất cả các phân tích kinh tế phải tính một cách đúng đắn đến những thay đổi lớn này đối với lưu lượng hơi nước.

(Ban quản lý dự án – trích từ “Hướng dẫn tối ưu hóa hệ thống hơi công nghiệp” của Dự án hiệu quả năng lượng trong công nghiệp của Tổ chức Phát triển công nghiệp Liên hợp quốc – UNIDO)