Bài viết Thu hồi nhiệt từ dòng khói thải ra khỏi hệ thống lò hơi thu hồi nhiệt bằng chu trình rankine hữu cơ tại Nhà máy Điện Nhơn Trạch 1 & 2 để sản xuất thêm điện trình bày ứng dụng chu trình rankine hữu cơ tại Nhà máy Điện Nhơn Trạch 1 và 2.
CƠNG NGHIỆP ĐIỆN TẠP CHÍ DẦU KHÍ Số - 2022, trang 38 - 42 ISSN 2615-9902 THU HỒI NHIỆT TỪ DỊNG KHĨI THẢI RA KHỎI HỆ THỐNG LỊ HƠI THU HỒI NHIỆT BẰNG CHU TRÌNH RANKINE HỮU CƠ TẠI NHÀ MÁY ĐIỆN NHƠN TRẠCH & ĐỂ SẢN XUẤT THÊM ĐIỆN Lê Hồng Nguyên, Đặng Thị Tuyết Mai, Đặng Thị Bích Phương, Lưu Thị Ánh Trinh Viện Dầu khí Việt Nam Email: nguyenlh.pvpro@vpi.pvn.vn https://doi.org/10.47800/PVJ.2022.05-05 Tóm tắt Sau thu hồi nhiệt lò thu hồi nhiệt, khói thải từ turbine khí Nhà máy Điện Nhơn Trạch & có nhiệt độ khoảng 100 - 113oC Nhiệt lượng dịng khói thải khơng thu hồi phương án thu hồi nhiệt truyền thống khơng mang lại hiệu Chu trình rankine hữu (organic rankine cycle, ORC) sử dụng mơi chất hữu có khả bay nhiệt độ thấp nên có khả thu hồi nhiệt từ dịng khói thải nhiệt độ thấp Kết khảo sát chu trình ORC cho thấy, với mơi chất R245fa công suất Nhà máy Điện Nhơn Trạch tăng thêm MW với môi chất R113 công suất Nhà máy Điện Nhơn Trạch tăng thêm 3,6 MW Từ khóa: Chu trình rankine hữu cơ, khói thải, mơi chất, công suất điện, Nhà máy Điện Nhơn Trạch 1, Nhà máy Điện Nhơn Trạch Giới thiệu Nhà máy điện Nhơn Trạch & có cấu hình cơng nghệ 2-2-1, gồm turbine khí, lị thu hồi nhiệt turbine Nhiên liệu khí thiên nhiên, cơng suất thiết kế Nhà máy Điện Nhơn Trạch 450 MW Nhà máy Điện Nhơn Trạch 750 MW Hình mơ tả tổng quát sơ đồ công nghệ Nhà máy Điện Nhơn Trạch Hỗn hợp khơng khí khí nhiên liệu đốt cháy buồng đốt, sau giãn nở làm quay turbine khí Khí thải từ turbine khí có nhiệt độ cao thu hồi sản xuất lị thu hồi nhiệt Khí thải sau thu hồi nhiệt nhà máy có nhiệt độ khoảng 100 - 113oC thải môi trường qua ống khói thải Nhiệt độ tối thiểu cho phép dịng khói thải có liên hệ chặt chẽ với vấn đề ăn mịn vật liệu, nhiệt độ tối thiểu cho phép khói thải trì cao so với nhiệt độ điểm sương acid dịng khói thải Tuy nhiên, ống khói Nhà máy Điện Nhơn Trạch & chế tạo vật liệu thép khơng gỉ, giảm thiểu vấn đề trì nhiệt độ tối thiểu dịng khói thải Với khoảng nhiệt độ trên, nhiệt lượng dòng Ngày nhận bài: 22/3/2022 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 22/3 - 26/4/2022 Ngày báo duyệt đăng: 20/5/2022 38 DẦU KHÍ - SỐ 5/2022 khói thải khơng thể tiếp tục thu hồi phương pháp truyền thống không mang lại hiệu Trong trường hợp này, chu trình rankine hữu cho phép thu hồi nhiệt từ nguồn nhiệt thải cấp thấp để sản xuất điện Chu trình rankine hữu ứng dụng rộng rãi để thu hồi nhiệt từ nguồn nhiệt thải lĩnh vực công nghiệp khác như: công nghiệp luyện thép, công nghiệp sản xuất xi măng, cơng nghiệp dầu khí, nhà máy điện [1, 2] Chu trình rankine hữu chu trình nhiệt động lực học, chuyển đổi lượng nhiệt thành lượng điện Điện sản xuất từ ORC điện pha có mức điện áp 380 - 500 V, tần số 50 - 60 Hz, sử dụng tiêu thụ nội nhà máy để giảm tỷ lệ điện tự dùng [3] Chi phí vận hành chu trình rankine hữu thấp hệ thống vận hành từ nhiệt thừa q trình cơng nghệ chính, cụ thể nhiệt thừa từ dịng khói thải Ngun lý hoạt động chu trình rankine hữu bố trí thiết bị tương tự chu trình rankine truyền thống Điểm khác biệt mơi chất hữu có nhiệt độ bay thấp sử dụng thay nước Hình mơ tả chu trình rankine hữu sử dụng thu hồi nhiệt từ dịng khói thải khỏi hệ thống lò thu hồi nhiệt nhà máy nhiệt điện khí Một chu trình rankine hữu gồm thiết bị bơm môi chất, thiết bị bay hơi, thiết bị giãn nở, thiết PETROVIETNAM Turbine Lò thu hồi nhiệt Turbine khí Hình Sơ đồ cơng nghệ Nhà máy Điện Nhơn Trạch - Sau đó, thải ngưng tụ thiết bị ngưng tụ nước làm mát khơng khí bắt đầu chu trình làm việc Máy phát Thiết bị giãn nở Nước làm mát Bơm nước làm mát Thiết bị ngưng tụ Khói thải Thiết bị bay Mơi chất Bơm mơi chất Hình Sơ đồ chu trình rankine hữu bị ngưng tụ Nguyên lý làm việc chu trình rankine hữu (Hình 2) sau: - Mơi chất làm việc có nhiệt độ sơi thấp bơm vào thiết bị bay hơi, trình trao đổi nhiệt nguồn nhiệt thải nhiệt độ thấp môi chất diễn làm hóa mơi chất Thơng thường, môi chất đầu vào thiết bị giãn nở trạng thái bão hòa Đối với ứng dụng thu hồi nhiệt từ dịng khói thải nhà máy điện, chu trình rankine hữu bao gồm thiết bị bay lõi trao đổi nhiệt đặt hệ thống lò thu hồi nhiệt; - Tiếp theo, áp suất cao dẫn vào thiết bị giãn nở, thành phần quan trọng toàn nhà máy điện ORC, định hiệu suất hệ thống ORC Chất lỏng làm việc giãn nở tạo biến đổi thành điện nhờ máy phát điện kết hợp với trục turbine; Môi chất làm việc chu trình chất lỏng hữu đặc trưng khối lượng phân tử cao nhiệt độ bay thấp nước nên thích hợp để thu hồi nhiệt từ nguồn nhiệt cấp thấp Một chu trình rankine hữu phù hợp với nhiệt độ lưu lượng nguồn nhiệt thải lựa chọn thông qua khảo sát môi chất khác Công suất điện chu trình ứng với mơi chất tối ưu thông qua xác định nhiệt độ/áp suất bay hơi/ngưng tụ thích hợp Đối với nguồn nhiệt thải có nhiệt độ thấp, mơi chất R245fa nhiều nhà sản xuất sử dụng chu trình ORC [4], bên cạnh đó, nhóm tác giả đánh giá thêm nhiều môi chất khác (như R141b, R601, R152a, R113, R123…) nhằm tìm mơi chất tiềm nguồn nhiệt có sẵn nhà máy điện Xét khía cạnh kinh tế, chi phí đầu tư cho hệ thống ORC ước tính tổng chi phí đầu tư thiết bị chính, chi phí xây dựng, chi phí quản lý dự án chi phí dự phịng khác Trong đó, chi phí thiết bị thiết bị bay hơi, thiết bị ngưng tụ, thiết bị giãn nở, bơm mơi chất, bơm nước làm mát trích xuất từ phần mềm chun dụng Hình DẦU KHÍ - SỐ 5/2022 39 CÔNG NGHIỆP ĐIỆN minh họa kết ước tính chi phí thiết bị từ phần mềm Một chức phần mềm ước tính chi phí thiết bị cho phép người dùng lựa chọn loại vật liệu - yếu tố có ảnh hưởng lớn đến chi phí thiết bị Nhóm tác giả lựa chọn vật liệu titanium phần ống thiết bị ngưng tụ, nơi chất lưu nước làm mát Đối với lõi trao đổi nhiệt đặt ống khói, vật liệu thép khơng gỉ lựa chọn Theo tham khảo từ dự án thực hiện, chi phí đầu tư cịn lại ước tính chiếm khoảng 70% chi phí thiết bị, chi phí xây dựng, quản lý dự án, chi phí dự phịng khác chiếm 53%, 8% 10% Ngồi ra, nhóm tác giả sử dụng thêm khái niệm chi phí điện bình qn hóa (LEC) để đánh giá tính kinh tế sử dụng cơng nghệ ORC thu hồi nhiệt thải từ dịng khói thải để sản xuất thêm điện LEC xác định cơng thức sau [5]: = + × × = Trong đó: (USD/ h (1 + ) (1 + i ) −1 Việc đánh giá phương án thu hồi nhiệt khí thải Nhà máy Điện Nhơn Trạch sử dụng chu trình rankine hữu thực với thông số giả định ràng buộc Bảng Kết đánh giá tính tốn kinh tế cho mơ hình ORC với loại mơi chất làm việc thể Bảng (2) Bảng Thơng số thiết kế chu trình ORC Nhà máy Điện Nhơn Trạch CRF: Hệ số thu hồi vốn; LTpl: Tuổi thọ hệ thống ORC, 20 năm; i: Lãi suất, 5%; Ctot: Tổng chi phí đầu tư; COM: Chi phí vận hành, bảo dưỡng, chiếm 1,5% chi phí đầu tư; Wnet: Cơng suất điện rịng hệ thống ORC Theo kết phân tích mẫu khí thải định kỳ tháng/ lần năm 2021 Nhà máy Điện Nhơn Trạch 1, hàm lượng SO2 khói thải nằm khoảng không phát hiện, 10 mg/Nm3 hàm lượng H2O khói thải vào khoảng 9,4% thể tích Theo kết tính tốn phần mềm mơ phỏng, nhiệt độ điểm sương khói thải nằm khoảng 85,7 - 98,5oC (tương ứng với độ chuyển hóa SO2 thành SO3 - 5%) Tuy nhiên, ống khói Nhà máy Điện Nhơn Trạch chế tạo thép không gỉ, nhiệt độ khói thải cho phép vận hành xuống nhiệt độ điểm sương acid (1) LEC: Chi phí điện bình qn hóa (USD/kWh); top: Thời gian vận hành, 8.000 giờ/năm; Ứng dụng chu trình rankine hữu Nhà máy Điện Nhơn Trạch Các thông số giả định Nhiệt độ nguồn nhiệt thải vào ORC (oC) Lưu lượng nguồn nhiệt thải vào ORC (kg/s) Nhiệt độ đầu vào nước làm mát (oC) ∆T nước làm mát (oC) Các điều kiện ràng buộc Chênh lệch nhiệt độ tối thiểu dịng nóng lạnh (oC) Hệ số hiệu chỉnh Ft Các biến thay đổi Lưu lượng chất lỏng làm việc (kg/s) Áp suất làm việc môi chất ORC (bar) (bao gồm áp suất sau bơm sau turbine) Hình Ước tính chi phí thiết bị phần mềm chuyên dụng 40 DẦU KHÍ - SỐ 5/2022 Giá trị 98,3 521,5 × 30 Giới hạn ≥5 ≥ 0,75 [6] Giới hạn Phụ thuộc vào đường bao pha lưu chất PETROVIETNAM Kết đánh giá (Bảng 2) cho thấy với môi chất làm việc R123, R601, R245fa, R113, R141b, hệ thống ORC có chi phí sản xuất điện thấp chi phí sản xuất điện nhà máy Đánh giá thời gian thu hồi vốn LEC, môi chất R245fa thể ưu so với mơi chất cịn lại với cơng suất điện nhà máy tăng thêm MW thời gian thu hồi vốn 4,6 năm Ứng dụng chu trình rankine hữu Nhà máy Điện Nhơn Trạch Theo kết mơ phỏng, dịng khí thải khỏi cụm lò thu hồi nhiệt Nhà máy Điện Nhơn Trạch có nhiệt độ điểm sương acid 81,8oC Tuy nhiên, ống khói Nhà máy Điện Nhơn Trạch chế tạo thép khơng gỉ, nhiệt độ khói thải cho phép vận hành xuống nhiệt độ điểm sương acid Việc đánh giá phương án thu hồi nhiệt khí thải Nhà máy Điện Nhơn Trạch sử dụng chu trình rankine hữu thực với thông số giả định ràng buộc Bảng Kết đánh giá tính tốn kinh tế cho mơ hình ORC với loại môi chất làm việc thể Bảng Bảng Thông số kỹ thuật kinh tế hệ thống ORC Nhà máy Điện Nhơn Trạch Môi chất Công suất turbin e (kW) Công suất bơm môi chất (kW) R123 R245fa R113 R141b R152a R601 2.918 2.252 2.682 2.918 2.861 2.836 43 58 24 33 197 35 Công suất bơm nước làm mát (kW) 304 192 291 299 307 303 Cơng suất điện rịng (kW) 2.571 2.001 2.367 2.585 2.357 2.498 Nhiệt độ khí thải khỏi ORC (oC) 67 78 68 67 67 67 Thông số vận hành Lưu Lưu lượng Áp suất lượng nước đầu môi làm turbine chất mát (bar) (kg/s) (kg/s) 1.077 1,45 190 680 2,34 107 1.028 0,77 200 1.059 1,25 143 1.086 9,00 131 1.074 1,10 86 Áp suất đầu bơm môi chất (bar) 3,80 7,60 2,10 3,30 18,70 2,88 Chi phí đầu tư (triệu USD) LEC (USD/kWh) Thời gian thu hồi vốn (năm) 12,448 5,991 10,771 13,607 28,116 16,785 0,058 0,036 0,054 0,063 0,142 0,080 7,4 4,6 6,9 8,1 18,3 10,3 Bảng Thông số thiết kế chu trình ORC Nhà máy Điện Nhơn Trạch Các thơng số giả định Nhiệt độ nguồn nhiệt thải vào ORC (oC) Lưu lượng nguồn nhiệt thải vào ORC (kg/s) Nhiệt độ đầu vào nước làm mát (oC) ∆T nước làm mát (oC) Các điều kiện ràng buộc Chênh lệch nhiệt độ tối thiểu dịng nóng lạnh (oC) Hệ số hiệu chỉnh Ft Nhiệt độ khí thải sau khỏi ORC (oC) Các biến thay đổi Lưu lượng chất lỏng làm việc (kg/s) Áp suất làm việc môi chất ORC (bar) (bao gồm áp suất sau bơm sau turbine) Giá trị 112,7 646 × 30 Giới hạn ≥5 ≥ 0,75 [6] Không ràng buộc Giới hạn Phụ thuộc vào đường bao pha lưu chất Bảng Thông số kỹ thuật kinh tế hệ thống ORC Nhà máy Điện Nhơn Trạch Thông số vận hành Công suất Thời gian Công suất Công suất Công suất Nhiệt độ Áp suất Áp suất Tổng chi bơm nước LEC thu hồi Lưu lượng Lưu lượng Mơi chất turbine bơm mơi điện rịng khí thải đầu đầu phí đầu tư làm mát (USD/kWh) vốn nước làm môi chất (kW) chất (kW) (kW) turbine bơm môi (triệu USD) khỏi ORC (kW) (năm) mát (kg/s) (kg/s) (bar) chất (bar) (oC) 5.279 80 507 4.724 70 1.792 1,45 316 4,12 24,009 0,061 8,3 R123 3.398 107 220 3.070 93 779 2,3 120 11 9,780 0,038 5,2 R245fa 3.937 46 281 3.610 88 996 0,8 189 3,55 9,847 0,032 4,5 R113 5.079 65 461 4.553 73 1.632 1,33 221 3,92 20,048 0,052 7,2 R141b 4.812 380 455 3.977 74 1.609 9,54 198 21,8 29,921 0,090 12,3 R152a 5.104 67 467 4.570 73 1.653 1,11 131 3,4 24,711 0,064 8,8 R601 DẦU KHÍ - SỐ 5/2022 41 CÔNG NGHIỆP ĐIỆN Kết đánh giá (Bảng 4) cho thấy với môi chất làm việc R245fa, R113, R601, R141b, R123 hệ thống ORC có chi phí sản xuất điện thấp chi phí sản xuất điện nhà máy Với khía cạnh đánh giá thời gian thu hồi vốn LEC, môi chất R113 thể ưu so với môi chất cịn lại với cơng suất điện tăng thêm 3,6 MW thời gian thu hồi vốn 4,5 năm Kết luận Giải pháp thu hồi nhiệt từ dòng khói thải khỏi hệ thống lị thu hồi nhiệt chu trình rankine hữu đề xuất cho Nhà máy Điện Nhơn Trạch & Kết khảo sát chu trình rankine hữu với môi chất làm việc khác cho thấy giải pháp mang lại hiệu cho nhà máy điện công suất điện tăng lên Đối với Nhà máy Điện Nhơn Trạch 1, áp dụng giải pháp thu hồi nhiệt khói thải chu trình rankine hữu với mơi chất R245fa góp phần tăng cơng suất thêm MW với giá trị kinh tế 1,3 triệu USD, chi phí đầu tư cho giải pháp 5,992 triệu USD thời gian thu hồi vốn 4,6 năm Đối với Nhà máy Điện Nhơn Trạch 2, áp dụng giải pháp thu hồi nhiệt khói thải chu trình rankine hữu với mơi chất R113 góp phần tăng cơng suất thêm 3,6 MW với giá trị kinh tế 2,2 triệu USD, chi phí đầu tư cho giải pháp 9,847 triệu USD thời gian thu hồi vốn 4,5 năm Tài liệu tham khảo [1] Sanne Lemmens, “Technological innovation in the energy sector: Case of the organic rankine cycle”, Universiteit Antwerpen, 2017 [2] Dongxiang Wang, Xiang Ling, Hao Peng, Lin Liu, and Lanlan Tao, “Efficiency and optimal performance evaluation of ORC for low grade waste heat power generation”, Energy, Vol 50, pp 343 - 352, 2012 DOI: 10.1016/j.energy.2012.11.010 [3] ElectraTherm, "6500B+ specification sheet" [4] Steven Lecompte, Martijn Van den Brock, and Michel De Paepe, “Optimal selection and sizing of heat exchanger for organic rankine cycle (ORC) based on thermo - economics”, Proceedings of the 15th International Heat Transfer Conference, Kyoto, Japan, 10 - 15 August 2014 DOI: 10.1615/IHTC15.rne.008989 [5] Yongqiang Feng, Yaning Zhang, Bingxi Li, Jinfu Yang, and Yang Shi, “Comparison between regenerative organic rankine cycle (RORC) and basic organic rankine cycle (BORC) based on thermoeconomic multiobjective optimization considering exergy efficiency and levelized energy cost (LEC)”, Energy Conversion and Management, Vol 96, pp 58 - 71, 2015 DOI: 10.1016/j enconman.2015.02.045 [6] Suraya Hanim Abu Bakar, Mohd Kamaruddin Abd Hamid, Sharifah Rafidah Wan Alwi, and Zainuddin Abdul Manan, “A simple case study on application in synthesizing a feasible heat exchanger network”, Chemical Engineering Transaction, Vol 56, pp 157 - 162, 2017 DOI: 10.3303/ CET1756027 RECOVERING HEAT OF FLUE GAS FROM HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR SYSTEM AT NHON TRACH AND NHON TRACH GAS POWER PLANTS BY ORGANIC RANKINE CYCLE TO PRODUCE POWER Le Hong Nguyen, Dang Thi Tuyet Mai, Dang Thi Bich Phuong, Luu Thi Anh Trinh Vietnam Petroleum Institute Email: nguyenlh.pvpro@vpi.pvn.vn Summary Flue gas from gas turbines at Nhon Trach and Nhon Trach gas power plant are in the temperature range of 100 - 113oC after heat has been recovered at the heat recovery steam generator These heat flows are not recovered by conventional methods since they are not effective Meanwhile, the organic Rankine cycle (ORC) uses organic fluids with low boiling point, that is why it can recover heat from lowtemperature flue gas streams Results of the ORC investigation reveal that with R245fa as a fluid, the Nhon Trach 1’s capacity will increase by 2.0 MW, and the Nhon Trach 2’s capacity will see an increase of 3.6 MW with R113 as a fluid Key words: Organic Rankine cycle, flue gas, organic fluid, power capacity, Nhon Trach gas power plant, Nhon Trach gas power plant 42 DẦU KHÍ - SỐ 5/2022 ... 46 2 81 3. 610 88 996 0,8 18 9 3,55 9,847 0,0 32 4,5 R 113 5.079 65 4 61 4.553 73 1. 6 32 1, 33 2 21 3, 92 20,048 0,0 52 7 ,2 R141b 4. 8 12 380 455 3.977 74 1. 609 9,54 19 8 21 , 8 29 ,9 21 0,090 12 ,3 R152a 5 .10 4... kỹ thu? ??t kinh tế hệ thống ORC Nhà máy Điện Nhơn Trạch Môi chất Công suất turbin e (kW) Công suất bơm môi chất (kW) R 123 R245fa R 113 R141b R152a R6 01 2. 918 2. 2 52 2.6 82 2. 918 2. 8 61 2. 836 43 58 24 ... Kết luận Giải pháp thu hồi nhiệt từ dịng khói thải khỏi hệ thống lò thu hồi nhiệt chu trình rankine hữu đề xuất cho Nhà máy Điện Nhơn Trạch & Kết khảo sát chu trình rankine hữu với mơi chất làm