Công Nghệ Siêu Tới Hạn Là Gì

Công nghệ lò hơi cận tới hạn, có sử dụng bao hơi để tạo vòng tuần hoàn tự nhiên của nước. Do nước tuần hoàn tự nhiên bên trong ống lò nên các ống lò (tường nước) được thiết kế thẳng đứng nhằm mục đích giảm trở lực của nước (hơi) làm tăng khả năng sinh hơi của nước trong lò hơi.

Sơ đồ công nghệ lò hơi cận tới hạn có sử dụng bao hơi (Steam Drum)

Công nghệ lò hơi siêu tới hạn, nước cấp lên lò hơi được bơm cưỡng bức đi qua buồng đốt và hóa hơi hoàn toàn. Do yêu cầu công nghệ của lò hơi siêu tới hạn cần nâng nhiệt độ nước bên trong ống lò hơi lên cao để nước hóa hơi hoàn toàn không tuần hoàn lại nên các ống lò hơi được thiết kế dạng hình xoắn nằm nghiêng 1 góc 45 độ nhằm mục đích tăng thời gian nước bên trong ống lò hơi tiếp xúc với buồng đốt.

Sơ đồ công nghệ lò hơi siêu tới hạn

Tags: Kiến thức

Công nghệ nhiệt than siêu tới hạn

Trung tâm của quá trình sản xuất điện than là chu trình hơi nước. Thông thường, than đã nghiền được đưa vào một lò công nghiệp lớn với những ống chứa nước xung quanh. Than được đốt để đun nóng nước, sau đó hơi nước được truyền ở áp suất cao đến các turbine có kết nối với máy phát điện.Máy phát điện quay tạo ra các electron, các electron hình thành sẽ được các máy biến áp đẩy điện áp lên. Trong khi đó hơi nước ở turbine nguội lại thành nước và lại được đưa trở lại lò hơi để đun nóng.Trong các nhà máy điện hơi nước quá siêu tới hạn (ultra-supercritical steam - USC), nhiệt độ đun và áp suất cực cao làm nước trở thành dòng chất lỏng siêu tới hạn với đầy đủ các tính chất của chất lỏng và chất khí. Trong trạng thái này, dòng chảy siêu tới hạn sẽ đem lại có hiệu quả cao hơn khi “lái” các turbine khổng lồ quay các máy phát điện của nhà máy. Công nghệ này đắt hơn công nghệ truyền thống dưới tới hạn (subcritical) từ 20% 30% nhưng bù lại hiệu suất nhiệt được cải thiện và giảm lượng khí thải.

Một công nghệ khác là giải pháp hiệu suất cao, ít phát thải (High-efficiency Low-emissions - HELE) đã được chứng minh là giảm lượng phát thải và chi phí nhiên liệu bằng cách tối đa hóa lượng điện từ hơi được tạo ra. Nhưng theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), trong năm 2011 khoảng 75% các nhà máy nhiệt điện than trên toàn thế giới không sử dụng công nghệ HELE.

Nhà máy nhiệt điện than Nordjylland nằm ở miền Bắc Jutland, Đan Mạch.

Tình hình gần như không cải thiện sau ba năm. Một nghiên cứu của IEA về thiết kế nhà máy nhiệt điện than ở Trung Quốc cho thấy hiệu suất trung bình của các nhà máy ở đây vào khoảng 33%, tức là thấp hơn tới 12% so ới việc sử dụng công nghệ siêu tới hạn.Tuy nhiên nhiệt điện than vẫn đang có những tiến bộ. Tập đoàn General Electric (GE) đang đi tiên phong về công nghệ siêu tới hạn tại nhà máy nhiệt điện than RDK 8 ở Karlsruhe, Đức, với thành công đáng kể: đạt hiệu suất nhiệt 47,5% khi sản xuất 912MW điện và trở thành một trong những nhà máy nhiệt điện than hiệu quả nhất thế giới.Các mô hình sản xuất điện theo công nghệ tối tân ở Đan Mạch và Nhật BảnNhà máy điện Nordjylland nằm ở miền Bắc Jutland, Đan Mạch được chủ sở hữu của nó, công ty Vattenfall, giới thiệu là đang giữ kỷ lục thế giới về sử dụng than hiệu quả nhất kể từ khi tổ máy số 3 được đưa vào hoạt động năm 1998.Tổ máy số 3 có công suất 400MW với máy sinh hơi nước liên tục cao 70m, cộng với chu kỳ đun nóng nước hai lần và sử dụng nước biển lạnh để làm mát. Tất cả điều đó dẫn đến hiệu suất 47% (tính theo nhiệt trị thấp - LHV). Thiết kế đối ngẫu này khiến hàm lượng năng lượng trong than bitum được sử dụng tới 91%.Nhà máy nhiệt điện Isogo gần Yokohama, Nhật Bản sở hữu hai tổ máy, trong đó tổ máy thứ 2 hoạt động ở nhiệt độ 600/620°C, đạt hiệu suất 45% trong khi tổ máy thứ nhất hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn một chút. Tổng cộng, cả hai tổ máy này phát thải ít hơn 50% lưu huỳnh, 80% nitơ, 70% vật chất dạng hạt và 17% carbon dioxide so với các thiết bị công nghệ dưới tới hạn, trong khi chỉ sử dụng 1% lượng nước của các hệ thống thông thường. Một báo cáo công bố trên tạp chí ngành công nghiệp than đá Cornerstone năm 2015 đã gọi Isogo là nhà máy điện đốt than sạch nhất thế giới về cường độ phát thải.Những biên giới mới: Trung Quốc và công nghệ quá siêu tới hạn tiên tiếnỞ Đông Nam Á, nơi nhu cầu năng lượng được dự đoán sẽ tăng đột biến lên 80%, than có thể sẽ chiếm vị trí là nguồn năng lượng lớn nhất. Chỉ trong chín tháng đầu năm 2015, các công ty nhà nước Trung Quốc đã nhận được phê duyệt ban đầu hoặc phê duyệt toàn phẩn đủ để xây dựng 155 nhà máy điện than mới với tổng công suất 123GW.Nghiên cứu “Giảm phát thải thông qua nâng cấp các nhà máy điện chạy bằng than” của IEA năm 2014 đã đánh giá hiệu quả của hai tổ máy đang được vận hành tại các tỉnh Sơn Đông và Cát Lâm của Trung Quốc. Ngoài hướng dẫn cải tiến công nghệ, báo cáo đã đưa ra lời khuyên về việc cải thiện hiệu suất ở giai đoạn thiết kế, giai đoạn có khả năng linh hoạt nhất định để điều chỉnh các thông số, trong đó có khuyến cáo sử dụng các kỹ thuật siêu tới hạn như bổ sung giai đoạn đun nóng thứ hai trên turbine hơi nước, giảm áp suất bình ngưng, giảm tỷ lệ không khí dư thừa và giảm nhiệt độ thoát khí.Theo GE, tăng hiệu suất trung bình của các nhà máy nhiệt điện toàn cầu từ 33% lên 40% sẽ giảm hai tỉ tấn khối khí thải CO2 hằng năm và góp phần kiểm soát sự nóng lên toàn cầu trong phạm vi kịch bản 2°C do IEA xác định.GE đang xem xét khả năng đưa nhiệt độ hơi lên tới 1.300°F (700°C) - công nghệ siêu tới hạn tiên tiến (Advanced ultra-supercritical - AUSC). Công nghệ này có thể đạt được hiệu quả đốt than lên tới 50%. Áp suất và nhiệt độ cao như vậy sẽ yêu cầu các nhà thiết kế nhà máy điện phải sử dụng các siêu hợp kim sắt-niken hoặc niken tân tiến hơn, cũng như khắc phục các thách thức chế tạo và hàn.Trong năm 2014, công ty Alstom và Southern đã công bố một cột mốc trong sự phát triển của AUSC, với nhiệt độ hơi nước được duy trì ở 760°C trong 17.000 giờ tại tổ máy số 4 ở nhà máy Barry ở Alabama, Mỹ.

Bằng cách thúc đẩy thiết kế nhà máy điện theo hướng tối ưu và tiên tiến hơn, ngành công nghiệp nhiên liệu hóa thạch sẽ có cơ hội đưa “than sạch” tiếp tục đóng một vai trò then chốt trong các nguồn năng lượng toàn cầu đến giữa thế kỷ và xa hơn nữa.

Theo Khoa học Phát triển

PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 159CÔNG NGHỆ NHIỆT ĐIỆN TRÊN SIÊU TỚI HẠN (USC)Nguyễn Hải BằngCông ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 2Tóm tắt: Báo cáo trình bày tổng quan về công nghệ trên siêu tới hạn (Ultra Supercritical – USC) và khả năng áp dụng tại Việt Nam.1. TỔNG QUANCông nghệ nhiệt điện ngưng hơi truyền thống đã được phát triển từ lâu và có độtin cậy cao, hiệu suất hợp lý, có tuổi thọ cao, cơng suất tổ máy lớn (tới trên 1000 MW)và phù hợp với nhiều loại nhiên liệu.Về lý thuyết nhiệt, thông số hơi (áp suất, nhiệt độ) của chu trình hơi càng cao thìhiệu suất của chu trình nhiệt cũng càng cao. Điểm tới hạn của nước (Critical Point) làđiểm tại áp suất 22,06 MPa và nhiệt độ 373,95 °C. Tùy theo thơng số hơi ban đầu vàotuabin, chu trình nhiệt của các NMĐ ngưng hơi được chia thành các cấp: dưới (cận) tớihạn (Sub-Critical – SbC, với các thông số hơi dưới điểm tới hạn), siêu tới hạn (SuperCritical – SC, với các thông số hơi trên điểm tới hạn) và trên siêu tới hạn (Ultra-SuperCritical – USC, với các thông số hơi cao hơn nhiều điểm tới hạn).Cần phải lưu ý rằng định nghĩa siêu tới hạn đã được thay đổi trong những nămgần đây. Hình bên dưới thể hiện so sánh định nghĩa về các phân cấp thông số hơi cũ vàđịnh nghĩa hiện tại được chấp nhận. Báo cáo này dựa trên định nghĩa cũ về các phân cấpthơng số hơi.SuperCritical VS Ultra SuperCriticalClassical DefinitionPressure, MPa403530252015540555570585600615630645660Temperature, CSubCriticalSuperCriticalUltra SuperCriticalHình 1: Định nghĩa về phân cấp thông số hơi 160 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017SuperCritical VS Ultra SuperCriticalCommon CurrentPressure, psi403530252015540555570585600615630645660Temperature, CSubCriticalSuperCriticalUltra SuperCriticalHình 1: (tiếp theo)2. THƠNG SỐ HƠI VÀ HIỆU SUẤT CHU TRÌNH HƠIViệc tăng thơng số hơi (áp suất/nhiệt độ) sẽ làm tăng hiệu suất của nhà máy vàgiảm tiêu hao nhiên liệu. Bản chất về mặt nhiệt động lực học của mối quan hệ giữathông số hơi và hiệu suất chu trình nhiệt như thể hiện trong hình đưới đây:Hình 2: Hiệu suất nhiệt và thơng số chu trình hơiCùng với sự phát triển của công nghệ nhà máy nhiệt điện than, các thông số hơingày càng cao được áp dụng như thể hiện ở biểu đồ hình 3 bên dưới. Công nghệ siêu tớihạn (SC) đã bắt đầu được áp dụng từ những năm 1970, góp phần đáng kể cho cuộc cáchmạng công nghiệp lần thứ 3 thành cơng trên tồn thế giới. Từ những năm 1995 ~ 2000,với yêu cầu cấp thiết của việc tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch (than, dầu mỏ, khí đốt), PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 161khai thác và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng sơ cấp cũng như giảm phát thải - bảovệ môi trường, công nghệ trên siêu tới hạn (USC) bắt đầu được sử dụng rộng rãi vàngày càng phổ biến cho đến ngày nay.Nguồn: IHI Corporation®Hình 3: Lịch sử phát triển của thông số hơi ban đầuTrong xu hướng ngày càng nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và bảo vệ môitrường cũng như sự phát triển các loại vật liệu mới, công nghệ USC đang tiếp tục đượcđầu tư nghiên cứu để có thể áp dụng thương mại trong tương lai gần, các thông số hơiban đầu có áp suất lên đến 30 MPa và nhiệt độ lên đến 700 °C – được gọi là công nghệtrên siêu tới hạn cải tiến (Advance Ultra-Super Critical – A-USC).Một số thông số hơi và hiệu suất của các nhà máy nhiệt điện ngưng hơi được trìnhbày trong bảng sau:Bảng 1. Thông số hơi ban đầu và hiệu suấtLoại thông số hơiThông số cận tới hạn(Subcritical)Thông số trên tới hạn(Super Critical)Thông số siêu tới hạn(Ultra-Super Critical)Áp suất hơi chính/Nhiệt độ hơichính/Nhiệt độ hơi tái sấyHiệu suất nhà máy(Hiệu suất thơ) -HHV16,7 MPa/538/538 °C38 ÷ 40,8%17,0 MPa/538/566 °C39 ÷ 41,4%17,0 MPa/566/566 °C41,4 ÷ 41,7%24,1 MPa/538/593 °C41,6 ÷ 41,8%24,1 MPa/566/593 °C41,7 ÷ 42,0%24,1 MPa/593/593 °C42,3 ÷ 42,6%24,5 MPa/600/600 °C42,2 ÷ 43,4%28,5 MPa/600/620 °C42,3 ÷ 43,6% 162 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 20173. THƠNG SỐ HƠI VÀ VẤN ĐỀ VẬT LIỆU3.1. Vật liệu chế tạo lò hơiVề cơ bản, thơng số hơi vận hành của chu trình hơi bị giới hạn bởi vật liệu chế tạolị hơi hiện có.3.1.1. Vách nướcĐối với lò hơi siêu tới hạn ở nhiệt độ 582 ºC, nhiệt độ đầu ra tối đa của nước/hơi ởkhoang vách nước là gần 427 °C. Vì dịng nhiệt trong buồng đốt lớn, nên nhiệt độ váchkim loại trung bình gần 454 °C đối với lị hơi mới và sạch. Các oxit sắt hình thành vàlắng bên trong vách ống làm tăng sự chênh nhiệt độ giữa trong và ngồi vách ống, ví dụtrong 100.000 giờ, nhiệt độ trung bình của vách ước tính tăng lên gần 460 °C. Trong cácđiều kiện như thế thì thép T12 có các đặc tính phù hợp để chế tạo ống nước. Thép T12có thể chịu được nhiệt độ cao trong khoảng thời gian ngắn suốt quá trình khởi động ở ápsuất thấp. Một số nhà cung cấp lò hơi đề xuất sử dụng thép T22 làm vật liệu vách nướcphía trên vì thép T22 có giới hạn chịu nhiệt cao hơn. Trong khi đó vách nước phía dướithường được chế tạo từ thép T2 do thép T2 có giá thành thấp hơn.Tất cả các nhà sản xuất lò hơi thường chào loại buồng đốt nhiều tầng để giới hạnlượng phát thải NOx. Điều này tạo ra điều kiện cháy không cân bằng về tỷ lệ trongbuồng đốt. Khi đốt các nhiên liệu chứa nhiều lưu huỳnh và Clo thì điều kiện không cânbằng về tỷ lệ sẽ làm gia tăng mức độ nguy hiểm do hiện tượng ăn mòn vách buồng đốtphía ngọn lửa. Điều này sẽ làm mỏng vách ống nhanh chóng và dẫn đến hư hỏng ốngsớm. Khơng có loại vật liệu làm ống nào hiện nay có khả năng chống ăn mòn đủ đểchống lại ăn mòn vách buồng đốt phía ngọn lửa khi đốt nhiên liệu chứa nhiều lưuhuỳnh/Clo. Trong những trường hợp như vậy, biện pháp hàn chồng Inconel thườngđược sử dụng để hàn các ống trong khu vực buồng đốt để kiểm sốt ăn mịn phía ngọnlửa. Một số nhà cung cấp lị hơi chào hệ thống buồng đốt 1 tầng để duy trì quá trình oxihóa nhằm làm giảm ăn mịn phía ngọn lửa trong các ứng dụng như thế. Khi sử dụng cácloại nhiên liệu chứa ít lưu huỳnh, mối hàn đắp là khơng cần thiết.Đối với lị trên siêu tới hạn ở 620 ºC, nhiệt độ nước/hơi đầu ra lớn nhất ở váchnước là gần 482 °C tương ứng với nhiệt độ trung bình kim loại vách gần 500 °C (đốivới thiết bị mới) và 515 °C (sau 100.000 giờ vận hành). Nhiệt độ bề mặt ngoài vách kimloại vào khoảng 527 °C ở khu vực bình thường và 566 °C ở khu vực có dịng nhiệt cựcđại (khu vực buồng đốt). Các đặc tính cơ của thép chế tạo các lị hơi truyền thống khơngphù hợp cho lị hơi loại này và cần pha thêm các vật liệu chống biến dạng. T23 là loạivật liệu phù hợp cho những khu vực có nhiệt độ cao như thế.Để đạt được quá nhiệt cuối cùng tới 760 oC sẽ yêu cầu ống buồng đốt T-92, ốngvà ống góp hợp kim niken 740H cho bộ quá nhiệt, bộ tái sấy và đường ống hơi kết nối. PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 163Bên cạnh các đặc tính cơ thì một thơng số khác cũng quan trọng khi chọn lựa vậtliệu chế tạo vách nước như không cần xử lý nhiệt sau khi hàn (PWHT – Post Weld HeatTreatment) sau khi chế tạo hoặc sau khi lắp đặt tại công trường. Xem bảng 1 để thamkhảo các yêu cầu về xử lý nhiệt sau khi hàn để lựa chọn vật liệu lị hơi.3.1.2. Các bình phân ly hơiĐối với các lò siêu tới hạn, làm mát trực lưu, các bình phân ly hơi được đặt xungquanh vách lị hơi để tách nước trong hơi quá nhiệt khi khởi động hoặc chạy thấp tải.Dòng hơi chạy đến vách nước phía trên và bộ quá nhiệt trong khi nước được đưa trở lạiđầu vào bình chứa nước cấp lị hơi bằng một bơm tuần hồn của lị hơi. Bình phân ly làbình loại đứng, kích thước phù hợp với những thay đổi lớn về mực nước mà không cầnxả nước lò hơi. Với lò hơi hoạt động trên 35% tải, các bình phân ly sẽ hoạt động ở trạngthái khơ (chỉ chứa hơi), nhưng ở chế độ tải thấp, trong q trình khởi động và ngưngmáy, nó sẽ chuyển từ trạng thái ẩm (nước) sang trạng thái khô (hơi). Chế độ vận hànhnày làm giảm áp lực do nhiệt tác động lên bình.Bình phân ly hơi thơng thường được chế tạo từ loại vật liệu tương tự như vật liệuống buồng đốt trên. Thép ferit thường được sử dụng hơn thép austenite do có đặc tínhtruyền nhiệt tốt hơn giúp làm giảm áp lực nhiệt. Chiều dày vách của các bình phân lykhơng được q dày vì điều đó làm giảm độ linh hoạt trong vận hành và làm tăng thờigian khởi động. Một biện pháp được sử dụng để làm giảm chiều dày vách là giảmđường kính bình. Chính vì thế mà lị hơi trên tới hạn thường có nhiều bình phân ly hơi.3.1.3. Ống bộ quá nhiệt và tái sấyỐng các bộ quá nhiệt được thiết kế hoạt động ở nhiệt độ cao hơn xấp xỉ 28 ºC đến42 ºC so với nhiệt độ hơi. Đối với hơi có nhiệt độ 538 ºC thì nhiệt độ kim loại vách ốngvào khoảng 566 ºC và vật liệu phù hợp là thép hợp kim thấp như T22. Nhiệt độ hơi càngcao thì vật liệu càng đặc biệt. Thơng số hơi cao không chỉ làm tăng áp lực và nhiệt độlên vách ống bộ quá nhiệt mà còn làm tăng khả năng bị ăn mịn cả về phía hơi và phíabuồng đốt. Chiều dày ống bộ tái sấy và bộ quá nhiệt giảm đi nhanh chóng và dễ bị biếndạng do ăn mịn ở mặt ngồi ống.Nếu nhiệt độ hơi tăng không đáng kể (khoảng 566 °C) và khả năng ăn mịn ở phíangọn lửa thấp thì thép martensitic/ferritic có cải thiện thêm crom như T91, T92 và T122là những loại vật liệu thay thế cho austenitic. Trong trường hợp này, q trình oxi hóa ởphía hơi sẽ được chú ý đến nhiều hơn. Việc tăng nhiệt độ hơi sẽ làm chiều dày lớp oxihóa ở bề mặt ống tăng nhanh. Khi lớp oxit ở ống dày lên thì khả năng trao đổi nhiệt củaống bị giảm. Vì thế, khi nhiệt độ vách ống tăng lên thì tuổi thọ thiết bị cũng rút ngắn lại.Nhiệt độ vách tăng lên không những làm tăng nhanh nguy cơ biến dạng mà còn làmtăng khả năng ăn mịn ở cả phía hơi và phía ngọn lửa. Các cặn bẩn do ăn mịn phía hơisẽ bị cuốn vào tuabin hơi và làm mòn ống dẫn của tuabin hơi. Ăn mòn này được gọi là 164 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017ăn mịn do chất bẩn rắn (SPE – Solid Particle Erosion). Do đó, việc ống lị hơi bị mỏngdần và nhiệt độ vách tăng dần dường như diễn ra ngày càng nhanh hơn do các quá trìnhxảy ra bên trong thiết bị.Khi nhiệt độ hơi ở 593 °C, nhiệt độ kim loại bên trong bộ quá nhiệt vào khoảng637 °C. Khi đó hợp kim Super 304 sẽ được sử dụng tại một số bộ phận trong bộ quánhiệt.Khi nhiệt độ hơi ở 620 °C, nhiệt độ kim loại trong bộ quá nhiệt cuối cùng vàokhoảng 660 °C. Các ống lò hơi hoạt động ở điều kiện này cần phải được chống ăn mịnvề phía ngọn lửa và có giới hạn bền phù hợp. Các loại hợp kim 347HFG hạt mịn vàSuper 304 có giới hạn bền đủ đáp ứng điều kiện hoạt động có nhiệt độ lên đến 650 °C,nhưng khả năng chống ăn mịn của nó không đủ (do chỉ chứa 18% crom) đã giới hạnnhiệt độ hoạt động thực tế của nó xuống cịn khoảng 620 °C. Các loại vật liệu này cũnglàm giảm quá trình oxi hóa ở phía hơi tại nhiệt độ này, điều đó giúp làm giảm q trìnhphát sinh oxit và các nguyên nhân sinh ra các mảng sắt từ. Các mảng kim loại này sẽ bịcuốn vào tuabin hơi dẫn đến ăn mòn đường ống dẫn hơi của tuabin.Khi nhiệt độ hơi tăng lên đến 663 °C, hợp kim HR3C là loại vật liệu có giới hạnbền và khả năng chống ăn mịn phía hơi phù hợp. HR3C, thép chứa 25% crom, cũng cókhả năng chống ăn mịn phía ngọn lửa phù hợp cho các lị đốt có hàm lượng lưu huỳnhthấp hơn.3.1.4. Ống hơi và ống gópDo các bộ phận được chế tạo từ thép khơng gỉ austenitic có hệ số giãn nỡ nhiệtcao hơn và hệ số dẫn nhiệt thấp hơn so với thép ferritic/martensitic, nên thép không gỉaustenitic khơng phù hợp với các đặc tính của chu trình nhiệt. Vì thế, vật liệu ferriticthường được sử dụng để chế tạo đường ống hơi và ống góp.Đối với các đường ống hơi và ống góp bên ngồi buồng đốt, vấn đề ăn mịn phíangọn lửa khơng phải là vấn đề quan tâm khi lựa chọn vật liệu. Tuy nhiên, vấn đề ăn mịnphía hơi vẫn được xem xét. P22 có giới hạn oxi hóa phía hơi trong dãy 580 °C. P91,P92 và P122 có giới hạn oxi hóa phía hơi trong dãy 620 °C. Theo thơng tin về các loạivật liệu thì các loại vật liệu chứa 9% crom thường được lựa chọn để chế tạo đường ốnghơi chính với nhiệt độ trên 566 °C. Một cách tổng qt, P91 là vật liệu có tính kinh tếđối với các ứng dụng có nhiệt độ và áp suất thấp hơn, trong khi đó, đối với các ứngdụng có nhiệt độ và áp suất cao hơn thì P92 có tính kinh tế hơn. P122 không được lựachọn để chế tạo đường ống hơi và ống góp do giới hạn áp lực tương tự như P92. DoP122 chứa 12% crom và P92 chứa 9% crom nên P92 là lựa chọn có tính kinh tế hơn.Đối với nhiệt độ trên 620 °C thì vật liệu được lựa chọn hiện nay là thép không gỉaustenitic. Tuy nhiên, khả năng sử dụng thép ferritic vẫn được quan tâm do nó có hệ sốdãn nở nhiệt thấp và vì thế các ống góp sẽ ít bị nứt gãy do nhiệt. Độ bền biến dạng thấp PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 165ở nhiệt độ này có thể làm cho chiều dày vách của các đường ống hơi và ống góp tăng,đồng thời tăng chi phí và làm giới hạn khả năng của chu trình nhà máy. Các dự ánnghiên cứu để cải tiến thép ferritic/martensitic vẫn đang được tiếp tục, mục đích là làmcho các loại thép này phù hợp hơn với các ứng dụng ở nhiệt độ này.3.1.5. Sửa chữa ống lò hơiKhả năng sửa chữa ống lị hơi nhanh chóng cũng là một vấn đề quan trọng, đặcbiệt là đối với ống các bộ tái sấy và bộ quá nhiệt do chúng dễ bị ăn mịn và hỏng hóc.Một trong những điều cần quan tâm về thời gian cần thiết để sửa chữa một ống lị hơi cóliên quan đến những u cầu về gia nhiệt và xử lý nhiệt sau khi hàn của vật liệu. Cácyêu cầu về xử lý nhiệt sau khi hàn có liên quan đến chiều dày của ống đối với một sốvật liệu, do đó thời gian yêu cầu là không được xác định chắc chắn cho đến khi hoànthành việc thiết kế và chiều dày ống được xác định. Bảng 2 thể hiện các yêu cầu về vậtliệu của lị hơi thơng thường. Dựa trên u cầu về xử lý nhiệt sau khi hàn, việc sử dụngvật liệu T91 và T92 cho đường ống khí nên bị giới hạn và thay thế bằng thép không gỉđể dễ dàng sửa chữa.Việc lựa chọn vật liệu sẽ sử dụng sẽ được quyết định trong giai đoạn EPC, tuynhiên dự kiến sẽ không sử dụng P92 để chế tạo ống hơi và ống góp. Việc thiết kế lị hơivới các thơng số 566/566/25Mpa sẽ phù hợp với các loại vật liệu P91 hoặc/ và P22.Bảng 2. Các yêu cầu về xử lý nhiệt sau khi hàn đối với vật liệu chế tạo lị hơi thơng thườngCác vật liệu ASME điển hình cho các phần khác nhau trong các lò hơi siêu tới hạnVị tríVật liệuSA210CỒng bộ gianhiệt nướcSA209T1acấpVách nướcbuồng đốtỐng bộquá nhiệtYêu cầu PWHT khi hàn chu viKhông yêu cầu nếu chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng ¾”Khơng u cầu nếu chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng5/8”SA209T1aKhông yêu cầu nếu chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng5/8”SA213T2Không yêu cầu nếu chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng5/8”SA213T12Không yêu cầu nếu chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng5/8” và mối hàn được gia nhiệt trướcSA213T23Không yêu cầu nếu chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng5/8” và mối hàn được gia nhiệt trướcSA213T12Không yêu cầu nếu chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng5/8” và mối hàn được gia nhiệt trước 166 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017Các vật liệu ASME điển hình cho các phần khác nhau trong các lò hơi siêu tới hạnVị tríỐng gópbộ qnhiệtỐng bộtái sấyVật liệuu cầu PWHT khi hàn chu viSA213T22Không yêu cầu nếu chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng5/8” và mối hàn được gia nhiệt trướcSA213T23Không yêu cầu nếu chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng5/8” và mối hàn được gia nhiệt trướcSA213T91CóSA213T92CóSA213TP304HKhơngSA213TP347HFGKhơngCode Case 2328(Super 304)KhơngSA213TP310CbN(HR3C)KhơngSA335P12Khơng u cầu nếu chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng5/8” và mối hàn được gia nhiệt trướcSA335P22Không yêu cầu nếu chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng5/8” và mối hàn được gia nhiệt trướcSA335P91CóSA335P92CóSA335P122CóSA209T1aKhơng yêu cầu nếu chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng5/8”SA213T2Không yêu cầu nếu chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng5/8”SA213T12Không yêu cầu nếu chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng5/8” và mối hàn được gia nhiệt trướcSA213T22Không yêu cầu nếu chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng5/8” và mối hàn được gia nhiệt trướcSA213T91CóSA213T92CóSA213TP304HKhơngSA213TP347HFGKhơngCode Case 2328(Super 304)Không PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 167Các vật liệu ASME điển hình cho các phần khác nhau trong các lị hơi siêu tới hạnVị tríỐng gópbộ tái sấyVật liệuu cầu PWHT khi hàn chu viSA213TP310CbN(HR3C)KhôngSA335P12Không yêu cầu nếu chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng5/8” và mối hàn được gia nhiệt trướcSA335P22/SA387Gr22Không yêu cầu nếu chiều dày nhỏ hơn hoặc bằng5/8” và mối hàn được gia nhiệt trướcSA335P91/SA387-91Cl.2CóSA335P92CóGhi chú: Đối với P122 và P92 khi nhiệt độ trên 620 °C thì đường kính ngồi lớnnhất bị giới hạn nhỏ hơn 3.5 inches.3.2. Vật liệu tuabin hơiCác nhà máy vận hành với nhiệt độ cao đã xây dựng tại Nhật và châu Âu sử dụngcác loại thép không gỉ martensitic cải tiến được phát triển dành cho các ứng dụng tuabinhơi vào những năm 1980 và đầu 1990. Rotor được rèn từ thép chứa 9 - 10%CrMoVNbN, các hợp kim chính đang được sử dụng hiện nay được cho thêm vào 1.5%molybdenum hoặc 1.0% tungsten thay thế cho thành phần molybdenum. Hàm lượngvanadium và nitrogen đã được tối ưu hóa để gia tăng cường độ nhờ sự phân tán cácphân tử vanadium và nitrogen, một lượng nhỏ niobium được thêm vào để kiểm sốtkích cỡ hạt trong q trình xử lý ở nhiệt độ cao. Việc đúc thân van và vỏ xilanh sử dụnghợp kim tương tự, với hàm lượng cacbon thấp hơn tăng khả năng hàn. Hợp kim làmcánh tương tự như hợp kim rèn rotor. Để đáp ứng các yêu cầu hoạt động ở nhiệt độ rấtcao, bulong thường sử dụng vật liệu có nền Ni.Nhiệt độ mà tại đó giới hạn bền chảy sau 100.000 giờ vận hành vào khoảng100 Mpa là nhiệt độ cực đại phù hợp dùng cho các loại vật liệu chế tạo tuabin hơi.Những tiến bộ trong nghiên cứu hợp kim đã giúp làm tăng nhiệt độ cực đại này lên thêm50 – 70 °C. Hơn nữa, các loại thép có chứa thêm boron đã được phát triển và sử dụng đểrèn các kích cỡ ở Nhật và châu Âu. Để tăng cường khả năng chống oxi hóa, các hợpkim chứa nhiều crom hơn (11 - 12%) cũng đã được nghiên cứu phát triển, để cân bằngcác thành phần trong các hợp kim nhằm tránh hình thành tam giác ferrite, cobalt cũngđược thêm vào các hợp kim này. Tuy nhiên, các loại hợp kim này vẫn chưa được sửdụng trong chế tạo.Giới hạn bền chảy sau 100.000 giờ vận hành của vật liệu chế tạo tuabin hơi ởnhiệt độ cao thơng thường được trình bày trong hình 4. Theo các thơng số trong hình, ở600 °C thì cần vật liệu cao cấp hơn so với nhiệt độ 566 °C. 168 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017Courtesy Department of Trade and Industry, LondonHình 4: Giới hạn bền chảy của vật liệu chế tạo tuabin thơng thường4. THƠNG SỐ HƠI VÀ CHI PHÍ ĐẦU TƯViệc tăng áp suất và nhiệt độ sẽ làm tăng hiệu suất tinh của nhà máy và giảm chiphí vận hành (thơng qua việc giảm chi phí nhiên liệu), tuy nhiêu, chi phí đầu tư và độphức tạp nhà máy sẽ tăng.4.1. Lò hơiLò hơi được thiết kế với áp suất hơi cao có giá cao hơn so với lị hơi có áp suấtthấp hơn với cùng sản lượng hơi đầu ra. Các ảnh hưởng đến tăng chi phí này khôngđược các nhà sản xuất nêu chi tiết nhưng một cách khái quát được cho là do khác nhauvề vật liệu chế tạo. Nhiệt độ chu trình hơi tăng lên làm tăng chi phí đầu tư vì sử dụngvật liệu đắt hơn cho các bộ phận của bộ quá nhiệt và tái sấy trong lò hơi. PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 1694.2. Tuabin hơiGiá của các tuabin hơi siêu - siêu tới hạn cao hơn giá của các tuabin hơi siêu tớihạn là do vỏ thiết bị dày hơn và chi phí lắp đặt cao hơn. Nhiệt độ chu trình hơi tăng lênđịi hỏi vật liệu làm cánh và rotor tuabin phải tốt hơn, dẫn đến chi phí đầu tư cao hơn.4.3. Bộ truyền động tuabin và bơm nước cấp lò hơiViệc tăng áp suất của chu trình hơi siêu tới hạn và siêu – siêu tới hạn có ảnhhưởng đến bơm nước cấp lị hơi. Lưu lượng thể tích cần thiết thì giống nhau cho cả 2chu trình nhưng áp suất đầu đẩy cao địi hỏi sử dụng năng lượng nhiều hơn và nhiềutầng cánh hơn dẫn đến chi phí tăng.4.4. Kiểm sốt ơ nhiễm khơng khíDo hiệu suất tăng nên các lị siêu - siêu tới hạn tiêu tốn ít nhiên liệu hơn so với lòsiêu tới hạn. Việc giảm nhiên liệu tiêu thụ sẽ giúp làm giảm lưu lượng khí phát thải vàgiảm sản phẩm khí phát thải. Do đó, hệ thống kiểm sốt ơ nhiễm khơng khí sẽ nhỏ hơntương ứng. Việc cải tiến hiệu suất bằng nhiệt độ chu trình giúp phát thải ít hơn và làmgiảm chi phí đầu tư cho các thiết bị xử lý khói thải.4.5. Các van và đường ống cao ápÁp suất vận hành trong các lị trên siêu tới hạn tăng làm cho chi phí van, đườngống nước cấp, đường hơi chính tăng. Mặc dù về lý thuyết lưu lượng thể tích của nướccấp cho lị hơi trên siêu tới hạn có giảm xuống, tuy nhiên, do áp suất lò trên siêu tới hạncao hơn nên chiều dày vách ống phải lớn hơn, kết quả là đường kính ngồi của đườngống nước cấp lị hơi tăng lên để duy trì tiết diện dịng chảy bên trong khơng đổi. Chiềudày vách đường ống hơi chính của lò trên siêu tới hạn lớn hơn của lò siêu tới hạn do ápsuất cao hơn. Chiều dày cần thiết của vách ống có thể giảm đơi chút do giảm lưu lượngthể tích vì áp suất tăng, do đó đường kính ống sẽ nhỏ hơn. Tuy nhiên, ngay cả khi giảmđường kính ống thì tổng khối lượng vật liệu của đường ống hơi chính trong lị trên siêutới hạn vẫn cao hơn so với lò siêu tới hạn. Vách ống dày hơn làm chi phí lắp đặt tănglên do tăng thời gian hàn tại cơng trường và tăng chi phí kết cấu đỡ cho khối lượng tăngthêm. Một cách tổng quát, đường hơi tái sấy lạnh và tái sấy nóng không bị ảnh hưởngbởi sự thay đổi áp suất từ lò siêu tới hạn sang lò trên siêu tới hạn. Nhiệt độ chu trình hơităng cũng yêu cầu vật liệu làm ống phải tốt hơn và đắt tiền hơn như P92 và P122. Việctăng thêm các yêu cầu về mối hàn đặc biệt cho đường ống làm tăng chi phí đầu tư mộtcách đáng kể.4.6. Hệ thống phụ trợ (BOP)Sự khác biệt về giá của hệ thống phụ trợ nhà máy chủ yếu là ở hệ thống giải nhiệt.Với cùng đầu ra như nhau, do hiệu suất chu trình trên siêu tới hạn tăng nên tuabin hơithải ra ít nhiệt hơn và nhiệt thải ra mơi trường cũng ít hơn. Điều này giúp hệ thống làmmát nhỏ hơn mà vẫn đạt cùng mức chân khơng bình ngưng. 170 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 20174.7. So sánh kinh tế kỹ thuật tổng thểSo sánh, phân tích và đánh giá hiệu quả kinh tế giữa các giải pháp công nghệ cầnphải được xem xét trên cùng một mặt bằng, trong giới hạn một dự án cụ thể, cùng mộtcông suất, cùng địa điểm, cùng chủng loại than, các cơ sở hạ tầng dùng chung tươngđương nhau và đặc biệt là xuất xứ hàng hóa thiết bị.Trong giới hạn của báo cáo này, một số số liệu tổng quát nhất của một số dự ánđiển hình theo cơng nghệ SSC, SC và USC đã và đang thực hiện tại Việt Nam theo dảicông suất tổ máy 600 ~ 660 MW được trình bày như dưới đây.Bảng 3. So sánh kinh tế - kỹ thuật giữa các giải pháp công nghệTTThông sốĐơn vịSSCSCUSC1Dải công suất tổ máyMW6006006602Suất đầu tư theo hợpđồng EPCUSD/kW850 ~ 1.0003Thông số hơi banđầu4Hiệu suất thô tổ máy(HHV)1.000 ~ 1.350 1.100 ~ 1.400MPa/°C/°C 16,67/538/538 24,2/566/566 26,0/600/600%39,0 ~ 40,540,2 ~ 41,542,41Ghi chú:– Suất đầu tư theo hợp đồng EPC nêu trên không bao gồm phần cảng, cơ sở hạ tầngdùng chung của các nhà máy.– Các tổ máy SSC được thống kê theo một số NMĐ điển hình tại Việt Nam như VĩnhTân 2, Duyên Hải 1, Duyên Hải 3, Nghi Sơn 2, Vũng Áng 1, Long Phú 2.– Các tổ máy SC được thống kê theo một số NMĐ điển hình tại Việt Nam như VĩnhTân 4, Vĩnh Tân 4MR, Duyên Hải 3 MR, Duyên Hải 2.– Tổ máy USC được tham khảo từ dự án NMĐ Quảng Trị 1, do EGATi – Thái Lan đầutư theo hình thức BOT.– Hiệu suất tổ máy phụ thuộc nhiều vào thông số hơi ban đầu và đặc tính nhiên liệuthan.Nguồn: Cơng ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 2 (PECC2®) PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 171Bảng dưới đây đưa ra so sánh hiệu quả kinh tế – kỹ thuật giữa giải pháp côngnghệ SC và USC cho trường hợp cụ thể là dự án NMĐ Quảng Trị 1 để tham khảo thêm.Bảng 4. So sánh kinh tế – kỹ thuật giữa SC&USC của dự án NMĐ Quảng Trị 1TTChỉ sốĐơnvịSC24,2/566/566USCUSC26/600/60026/620/6201Tăng chi phí đầu tư thiết bị(trước thuế)%Cơ sởtăng 4,42%tăng 5,94%2Chi phí tiết kiệm được dogiảm tiêu thụ nhiên liệu(quy về NPV)%Cơ sởgiảm 4,13%giảm 5,03%Hiệu quả kinh tế (quy vềNPV)%Cơ sởtăng 1,42% tăng 1,55%Nguồn: Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 2 (PECC2®)Theo như bảng trên cho thấy khi chuyển sang cơng nghệ siêu tới hạn (USC) cóthơng số hơi đầu vào càng cao, thì hiệu quả kinh tế trong suốt vòng đời dự án càng tốt.5. KHẢ NĂNG ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ NHIỆT ĐIỆN TRÊN SIÊU TỚI HẠN TẠIVIỆT NAMNhìn chung, với phương án sử dụng thơng số trên tới hạn/siêu tới hạn thì chi phíđầu tư tăng lên; tuy nhiên, chi phí này sẽ được bù đắp nhờ hiệu suất nhà máy cao, lượngthan tiêu thụ hàng năm giảm xuống. Đặc biệt đối với các nhà máy sử dụng nguồn thannhập có chất lượng và giá nhiên liệu cao, chi phí tiết kiệm được là đáng kể.Mặt khác, lượng than tiêu thụ giảm giúp giảm phát thải, từ đó giảm các chi phícho hệ thống xử lý khói thải, bãi xỉ. Bên cạnh đó, nếu áp dụng công nghệ đốt hiệu suấtcao giảm phát thải CO2, dự án có thể xin được hỗ trợ và ưu đãi từ Chính phủ hay các tổchức quốc tế dành cho các dự án phát triển theo cơ chế phát triển sạch (CleanDevelopment Mechanism – CDM), từ đó nâng cao thêm hiệu quả kinh tế của dự án.Tại Việt Nam đã chuyển sang áp dụng công nghệ SC và USC cho các dự án trongvòng 5 năm trở lại đây. Tuy nhiên, vẫn chưa có tổ máy nào đi vào vận hành thương mại.Bảng dưới đây thống kê các dự án áp dụng SC và USC đang triển khai như sau. 172 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017Bảng 5. Các NMĐ áp dụng cơng nghệ SC và USC tại Việt NamCông suất(MW)Thông số hơi(MPa/°C/°C)NMĐ Vĩnh Tân 42×60024,2 / 566 /593 (SC)Tổ máy #1: 04/2018(đang commissioning).Tổ máy #2: 12/2017(đang commissioning)NMĐ Vĩnh Tân 4MR1×60024,2 / 566 /593 (SC)Đang thi cơng. COD tháng01/2020NMĐ Vĩnh Tân 12×62024,2 / 566 /566 (SC)Tổ máy #1: 09/2018 (đang thicông). Tổ máy #2: 01/2019(đang thi cơng)NMĐ Dun Hải3MR1×68824,2 / 566 /566 (SC)Đang thi cơng. COD tháng06/2018NMĐ Quảng Trị 12×66026,0 / 600 /600 (USC)F/S đã được phê duyệt tháng12/2016.Nhà máy điệnTiến độ vận hành thương mại(COD)Nguồn: Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 2 (PECC2®)Cơng nghệ USC và đặc biệt là công nghệ SC đã được thế giới áp dụng khoảnghơn 25 năm và đã kiểm chứng được cơng nghệ, tính ổn định và ưu điểm của nó. ViệtNam cũng đang thay đổi trong việc áp dụng các công nghệ mới này với 6 tổ máy trêntới hạn (SC) đang được thi công và sẽ đưa vào vận hành trong vài năm tới, ngoài ra 2 tổmáy siêu tới hạn (USC) đã được Bộ Công thương phê duyệt Báo cáo nghiên cứu khảthi, đang trong quá trình đàm phán hợp đồng EPC, hợp đồng PPA và hợp đồng BOT.Trước áp lực lớn về môi trường đối với ngành công nghiệp nhiệt điện và góp phầnhạn chế tác hại của biến đổi khí hậu tồn cầu, việc áp dụng cơng nghệ USC đối với cácdự án nhà máy nhiệt điện than là xu hướng đúng đắn. Song song với đó là đào tạo độingũ vận hành đủ trình độ và kinh nghiệm, để đảm bảo các tổ máy USC khi đi vào vậnhành được ổn định và tin cậy.Bảng 6. So sánh phát thải môi trường giữa SC&USC của dự án NMĐ Quảng Trị 1TTThông sốĐơn vịSC24,2/566/566USC26/600/600% giảmphát thải1Tro xỉTấn/năm239.391229.4564,15%2Phát thải NOxTấn/năm4.9984.8453,06%3Phát thải SOxTấn/năm3.3883.2843,07%4Phát thải BụiTấn/năm1.4411.3973,05%5Phát thải CO2Tấn/năm8.930.5858.557.7924,17%Nguồn: Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 2 (PECC2®) PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 173Công nghệ cận tới hạn (SbC) đã khơng được khuyến khích áp dụng do cơng nghệkhá lạc hậu, hiệu suất thấp và phát thải khí CO2 đáng kể hơn nhiều so với công nghệ SCvà USC. Do đó, việc xem xét áp dụng phổ biến công nghệ SC và USC tại Việt Nam làhết sức cần thiết, phù hợp với xu hướng phát triển chung của thế giới. Các số liệu từBáo cáo nghiên cứu khả thi dự án NMĐ Quảng Trị 1 cho thấy cơng nghệ USC là hồntồn khả thi tại Việt Nam ở thời điểm hiện tại cũng như mang lại hiệu quả kinh tếcao hơn.Ngồi ra, các phát thải mơi trường cũng cần được xem xét đánh giá, đặc biệt trongbối cảnh thế giới đang ứng phó với biến đổi khí hậu tồn cầu, việc giảm thải khí CO2khi áp dụng công nghệ USC là rất cần thiết. Điều này thể hiện rõ trong COP21 tại Pariscuối năm 2015. Giảm phát thải môi trường khi áp dụng công nghệ USC cho dự ánQuảng Trị 1 được trình bày chi tiết trong bảng trên để tham khảo thêm.6. KẾT LUẬNVới việc tăng áp suất và nhiệt độ thì hiệu suất tinh của nhà máy sẽ tăng lên, chiphí vận hành tổng thể nhà máy giảm thơng qua việc giảm chi phí nhiên liệu, tuy nhiênđộ phức tạp và chi phí đầu tư của nhà máy sẽ tăng lên.Đánh giá tổng quan trên cơ sở một dự án cụ thể đang trong giai đoạn phát triểncho thấy công nghệ trên siêu tới hạn (USC) là lựa chọn hợp lý cho các tổ máy nhiệt điệnngưng hơi công suất lớn tại Việt Nam trong thời gian tới.TÀI LIỆU THAM KHẢO[1]Báo cáo nghiên cứu khả thi Dự án Nhà máy điện Quảng Trị 1 (Công ty Cổ phần Tư vấnXây dựng Điện 2).[2]Báo cáo nghiên cứu khả thi Dự án Nhà máy điện Vĩnh Tân 3 (Công ty Cổ phần Tư vấnXây dựng Điện 2).[3]Thiết kế chuẩn cơng trình Nhà máy Nhiệt điện (Cơng ty Cổ phần Tư vấn Xây dựngĐiện 2).