Nghiên cứu lựa chọn công nghệ đốt than cho nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I

Bài viết Nghiên cứu lựa chọn công nghệ đốt than cho nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch I đánh giá các yếu tố về chi phí đầu tư, kinh nghiệm xây dựng và vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa, cũng như thị trường cung cấp thiết bị với việc tính toán, phân tích, so sánh các thông số kỹ thuật giữa các phương án thông số hơi khác nhau để từ đó lựa chọn được công nghệ phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Bùi Ngọc Dũng, Nguyễn Quốc Huy 10 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ ĐỐT THAN CHO NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN QUẢNG TRẠCH I STUDY ON SELECTING COAL COMBUSTION TECHNOLOGIES FOR QUANG TRACH I THERMAL POWER PLANT Bùi Ngọc Dũng1, Nguyễn Quốc Huy2 Ban Quản lý Dự án Nhiệt điện - EVN; dungceo168@gmail.com Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; quochuybkdn@gmail.com Tóm tắt - Với ưu điểm nâng cao hiệu suất nhà máy, giảm tiêu hao nhiên liệu phát thải môi trường, công nghệ siêu tới hạn siêu tới hạn xem công nghệ tiên tiến nhà máy nhiệt điện Tuy nhiên, việc nâng cao thơng số làm tăng chi phí đầu tư ban đầu Bài báo nghiên cứu đánh giá, phân tích, lựa chọn thơng số tối ưu công nghệ đốt phù hợp cho nhà máy nhiệt điện than công suất lớn (> 300 MW) Việt Nam Phân tích lựa chọn thực dựa sở nghiên cứu, đánh giá yếu tố chi phí đầu tư, kinh nghiệm xây dựng vận hành, bảo dưỡng sửa chữa, thị trường cung cấp thiết bị với việc tính tốn, phân tích, so sánh thơng số kỹ thuật phương án thơng số khác để từ lựa chọn công nghệ phù hợp với điều kiện Việt Nam Bài báo lựa chọn công nghệ phù hợp cho Nhà máy Nhiệt điện (NMNĐ) Quảng Trạch I Abstract - Supercritical and ultra supercritical technologies have been considered as advanced technologies in thermal power plants due to their improving efficiency of whole power plant and reducing fuel consumption and emissions to the environment However, raising the parameters will increase the initial investment costs This paper analyzes, evaluates and selects optimal steam parameters as well as suitable combustion technologies for large coal-fired power plants (> 300 MW) in Vietnam The analysis of options is based on the basis of research, evaluation of the initial capital costs, experience of construction and operation, maintenance and repair as well as equipment supply market in order to select the suitable technologies for thermal power plants in Vietnam This article has selected suitable technology for Quang Trach I power plant Từ khóa - nhà máy nhiệt điện; công nghệ siêu tới hạn; siêu tới hạn; công nghệ đốt; thông số Key words - thermal power plant; supercritical (SC); ultralsupercritical (USC); combustion technologies; steam parameters Đặt vấn đề Trong nhà máy nhiệt điện, thơng số đóng vai trị quan trọng việc nâng cao hiệu suất vận hành kinh tế Nâng cao thơng số giúp nâng cao hiệu suất nhà máy, giảm chi phí nhiên liệu, lại làm tăng giá thành thiết bị, nâng cao áp suất phải tăng chiều dày vách ống tăng khối lượng chi tiết thiết bị [1, 2] Còn nâng cao nhiệt độ ứng suất cho phép giảm nhanh, dẫn đến phải tăng kích thước chuyển sang loại thép có độ bền nhiệt cao Chính vậy, việc tính tốn, phân tích lựa chọn thông số tối ưu cho nhà máy nhiệt điện công suất lớn ( 300 MW/ tổ máy) đóng vai trị định hiệu suất chu trình nhà máy, hiệu kinh tế trình vận hành nhà máy [1, 2] Theo quy hoạch phát triển điện quốc gia đến năm 2020, sản lượng điện từ nhà máy nhiệt điện chiếm 49% điện sản xuất Đến năm 2025, tỉ lệ 55% điện sản xuất [3] Ở Việt Nam nay, để đáp ứng mục tiêu quy hoạch, nhiều nhà máy nhiệt điện có cơng suất lớn vận hành xây dựng Tuy nhiên, việc phát triển ạt nhà máy nhiệt điện đốt than dẫn tới việc gây nhiễm mơi trường nghiêm trọng khơng có chiến lược giải pháp cụ thể Với ưu điểm hiệu suất cao giảm tiêu thụ nhiên liệu, công nghệ siêu tới hạn (supercritical - SC) siêu tới hạn (ultra-supercritical - USC) nhà máy nhiệt điện nhìn nhận công nghệ than Công nghệ từ lâu lựa chọn nước phát triển Nhật Bản nước Liên minh châu Âu - EU Do đó, lựa chọn cơng nghệ SC USC trở thành xu hướng phát triển tất yếu bối cảnh nguồn cung cấp nhiên liệu đốt ngày khó khăn, sức ép cắt giảm phát thải CO2 nhằm chống lại biến đổi khí hậu Tuy nhiên, Việt Nam nay, hầu hết nhà máy nhiệt điện có cơng suất tổ máy 300 MW vận hành Phả Lại 2, ng Bí mở rộng, Hải Phịng, Quảng Ninh Nghi Sơn sử dụng công nghệ cận tới hạn Thậm chí tổ máy có cơng suất 600 MW xây dựng Vũng Áng 1, Mông Dương 2, Vĩnh Tân 2, Vĩnh Tân (BOT), Duyên Hải sử dụng công nghệ cận tới hạn Hiện có nhà máy xây dựng Long Phú 1, Sông Hậu 1, Duyên Hải 3, Vĩnh Tân Vân Phong áp dụng thông số siêu tới hạn Dự án Nhà máy Nhiệt điện Quảng Trạch I thuộc tỉnh Quảng Bình khởi động năm 2011 Tập đồn Dầu khí Việt Nam (PVN) làm chủ đầu tư Tuy nhiên, sau năm triển khai thực hiện, gặp nhiều vấn đề liên quan đến tài chính, tái cấu nên Dự án chưa thể triển khai tiến độ Dự án sau chuyển sang Tập đồn Điện lực Việt Nam (EVN) đầu tư theo văn số 1828/TTg-KTN, ngày 15/10/2016 Thủ tướng Chính phủ Nhà máy gồm tổ máy với tổng công suất lắp đặt 1.200 MV, sản lượng điện sản xuất hàng năm đạt khoảng 8,4 tỷ kWh/năm, với tổng số vốn đầu tư khoảng 1,8 tỷ USD Nhà máy đầu tư công nghệ đại, đặc biệt hệ thống bảo vệ môi trường đáp ứng Quy chuẩn môi trường Việt Nam hành theo quy chuẩn số 22:2009/BTNMT Mục đích báo nghiên cứu phân tích tiêu cơng nghệ, kinh tế kỹ thuật để lựa chọn phương án thiết kế tối ưu cho Nhà máy Nhiệt điện Quảng Trạch I ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 2 Tổng quan công nghệ siêu tới hạn Trong thời gian gần đây, nhiều hãng chế tạo thiết bị cho nhà máy nhiệt điện tiếp tục phát triển hồn thiện cơng nghệ siêu tới hạn nhằm tăng hiệu suất hiệu kinh tế cho nhà máy nhiệt điện, giảm phát thải độc hại môi trường 2.1 Thông số Thông số lựa chọn dựa việc xem xét kết hợp yếu tố kinh tế kỹ thuật nhằm mang lại hiệu kinh tế cao nhất, đặc biệt tối ưu hóa chi phí đầu tư hiệu suất vận hành nhà máy Việc lựa chọn thông số phụ thuộc vào giá điện, giá nhiên liệu, thời gian vận hành năm Nếu yếu tố cao việc áp dụng thơng số cao tốt Thông số thường phân loại thành thông số tới hạn (áp suất nhỏ áp suất tới hạn) thông số tới hạn (áp suất lớn áp suất tới hạn) Phân loại thông số phát triển cặp thông số (áp suất nhiệt độ) khác tùy theo vùng địa lý, nhà chế tạo lị hơi, tiêu chí tổ chức tài (nhưng khác không nhiều) Trong phân loại cách phân loại Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) chấp nhận rộng rãi cụ thể sau [4]: o Thông số tới hạn (subcritical): Nhiệt độ  540°C áp suất < 22,1 MPa o Thông số siêu tới hạn (supercritical - SC): Nhiệt độ 540580°C áp suất 22,125 MPa o Thông số siêu tới hạn (ultra-subcritical USC): Nhiệt độ 580620°C áp suất 22,125 MPa o Thông số siêu tới hạn cải tiến (advanced ultra-subcritical - AUSC): Nhiệt độ 700725°C áp suất 2535 MPa 11 hạn ứng dụng, lắp đặt cho nhiều nhà máy điện giới với công suất lên đến 1.000 MW/tổ máy Các nhà nghiên cứu ước tính rằng, hiệu suất nhà máy tăng lên đến 48% áp suất tăng 25 MPa nhiệt độ tăng đến 700°C [4] Do đó, tập đoàn lớn Alstom Siemens nghiên cứu phát triển cặp thông số 350 bar/700°C 350 bar/730°C [4, 5] Bảng Công nghệ siêu siêu tới hạn giới [4] Hiệu suất nhà máy: Thông số (áp suất nhiệt độ) cao hiệu suất nhà máy nhiệt điện cao, dẫn đến giảm tiêu hao nhiên liệu phát thải khí nhà kính Theo xu hướng tăng thơng số hơi, suất tiêu hao nhiệt giảm tương ứng Theo tính tốn thực nghiệm nhà nghiên cứu sản xuất áp suất tăng thêm 3,45 MPa nhiệt độ tăng thêm 28°C suất tiêu hao nhiệt giảm từ 0,5-0,7% hiệu suất tăng lên tương ứng Hình So sánh hiệu suất nhà máy điện với thông số khác [4] Hình Quá trình phát triển thông số hiệu suất nhà máy nhiệt điện giới (Nguồn: JCOAL/IHI/TEPCO/TEPSCO/MARUBENI) Thông số cao hiệu suất thơ nhà máy nhiệt điện cao Hình thể so sánh hiệu suất nhà máy nhiệt điện giới Có thể thấy rằng, cơng nghệ siêu tới hạn cải tiến với nhiệt độ nhiệt 600°C, áp suất 22,1 MPa nâng hiệu suất nhiệt nhà máy lên đến 44,5% Hiện tại, công nghệ siêu tới Hiệu suất cao nên cơng suất nhà máy siêu tới hạn tiêu thụ nhiên liệu hơn, phát thải khí nhà kính hơn: điển hình giảm khoảng 8% đến 10% phát thải CO2 phát thải khác (NOx, SO2, v.v…) so với nhà máy tới hạn Hiệu suất cao giảm phát thải lý giải thích xu hướng sử dụng thơng số siêu tới hạn trở nên phổ biến nước công nghiệp phát triển, phải nhập nhiên liệu giá đắt phải chịu nhiều áp lực cắt giảm khí nhà kính Bùi Ngọc Dũng, Nguyễn Quốc Huy 12 2.2 Vật liệu chế tạo chi phí đầu tư Nhiệt độ cao đòi hỏi chất lượng vật liệu cao, chi phí đầu tư ban đầu lớn Bảng thể bảng tổng hợp vật liệu cho thiết bị nhà máy nhiệt điện dải nhiệt độ khác Có thể thấy rằng, với dải nhiệt độ thấp 565°C, cần sử dụng loại thép hợp kim crơm – mơlíp đen thấp Nhiệt độ tăng hàm lượng hợp kim thép tăng lên yêu cầu tiêu chất lượng thép tăng lên Hiện nay, giới sản xuất loại thép hợp kim cao cấp chịu nhiệt độ từ 650°C đến 750°C, làm tiền đề để ứng dụng công nghệ siêu tới hạn cải tiến cho nhà máy nhiệt điện tương lai gần Bảng Bảng tổng hợp vật liệu sử dụng cho thiết bị nhà máy nhiệt điện theo dải nhiệt độ [5] chạy 100% thời gian năm Tuy nhiên, nơi có đội ngũ vận hành quản lý kỹ thuật trình độ cao, nước phát triển, cố nhà máy siêu tới hạn xảy với tần suất lớn Đây lý dẫn đến tâm lý dè dặt nước phát triển thông số siêu tới hạn Phân tích lựa chọn cơng nghệ cho Nhà máy Nhiệt điện Quảng Trạch I 3.1 Đánh giá phương án lựa chọn Dựa số liệu phân tích trên, Ban Quản lý Dự án Nhiệt điện Quảng Trạch I (Ban QLDA Nhiệt điện EVN) với Viện Năng lượng - Bộ Công thương đánh giá, phân tích, so sánh lựa chọn phương án thông số cho dự án Nhà máy Nhiệt điện Quảng Trạch I, gồm phương án khác sau: Phương án 1: Thông số siêu tới hạn (SC1) 24,2 MPa/566°C/566°C Phương án 2: Thông số siêu tới hạn (SC2) 24,2 MPa /566°C /593°C Phương án 3: Thông số siêu tới hạn (USC1) 24,2 MPa /593°C /593°C Phương án 4: Thông số siêu tới hạn (USC2) 28 MPa /600°C /620°C Bảng So sánh thông số kỹ thuật tổ máy phương án thông số Siêu tới hạn Không thể phủ nhận rằng, việc tăng thông số làm tăng chi phí đầu tư cho thiết bị lị hơi, tuabin hệ thống cung cấp Tuy nhiên, tăng thông số làm giảm suất tiêu hao nhiên liệu tiêu hao nhiệt Thêm vào đó, cơng suất hệ thống kiểm sốt phát thải (khử NOx, SOx) hệ thống BOP hệ thống cung cấp than, xử lý nước, nước thải, … giảm xuống, phí đầu tư cho thiết bị phụ giảm xuống so với cơng nghệ cận tới hạn Theo ước tính chuyên gia từ nhà sản xuất JCOAL, IHI, TEPCO, TEPSCO, MARUBEN, tổng chi phí đầu tư ban đầu của nhà máy nhiệt điện siêu tới hạn cao khoảng 2-5% so với nhà máy tới hạn công suất Tuy nhiên, chi phí vận hành lị lại giảm đáng kể nhờ giảm suất tiêu hao nhiên liệu Chính thế, chi phí sản xuất điện nhà máy siêu tới hạn có xu hướng thấp so với nhà máy tới hạn công suất 2.3 Độ khả dụng độ tin cậy Độ khả dụng độ tin cậy tiêu chí quan trọng xem xét lựa chọn công nghệ, nhà máy sử dụng tổ máy lớn công suất 600 MW trở lên có ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định lưới điện Theo thống kê MHI, độ tin cậy nhà máy sử dụng công nghệ siêu tới hạn Nhật Bản đạt tới 99,4%, tương đương với số ngày dừng vận hành năm, khoảng 2,1 ngày Trong thực tế, nhà máy USC có khả Trên siêu tới hạn Thơng số SC1 SC2 USC1 USC2 Hiệu suất thô (%) 40,82 41,09 41,48 42,01 Hiệu suất tinh (%) 37,73 38,01 38,38 38,83 Tiêu thụ than (tấn/giờ) 285 282,9 280,1 276,9 Tiêu thụ than (tấn/năm) Chênh lệch (tấn/năm) 1.851.750 1.838.217 1.819.584 1.801.299 Cơ sở -13.533 -32.166 -50.451 Đối với phương án, liệu thông số liệu đầu vào chạy mô phần mềm quyền Steam Pro (do Viện Năng lượng thuộc Bộ Công thương mua quyền sử dụng quản lý) để tính tốn, thông số kỹ thuật thể Bảng Như vậy, phân tích thơng số kỹ thuật phương án sử dụng cơng nghệ USC2 có lợi Tuy nhiên, để lựa chọn đầu tư cần xem xét đánh giá yếu tố khác 3.1.1 Đánh giá chi phí đầu tư Vật liệu áp dụng cho lò hơi, tuabin USC SC giống nhau, có khác biệt nhiệt, tái nhiệt cuối, đường ống chính, đường ống tái nhiệt, tuabin cao áp, trung áp với vật liệu thép crôm mác cao cho tổ máy USC Theo nghiên cứu Công ty Điện lực Kyushu, Nhật Bản, chi phí cho thiết bị lò USC cao SC khoảng 2% cho thiết bị tuabin tăng tương ứng khoảng 1,5% ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển 3.1.2 Tính phù hợp với xu hướng phát triển Nhà máy nhiệt điện sử dụng lị với thơng số tới hạn nước phát triển tập trung với mục tiêu giảm thiểu tối đa phát thải mơi trường Việc triển khai thương mại hóa cơng nghệ SC, USC nước giới tiến hành thận trọng, qua nhiều bước Với quốc gia có tỷ trọng nhiệt điện đốt than lớn khẳng định quy hoạch điện, Việt Nam khơng nằm ngồi xu hướng phát triển Định hướng quy hoạch điện phê duyệt hướng tới cơng nghệ sản xuất có hiệu suất cao, tiết kiệm lượng Do đó, việc áp dụng thông số SC cao (USC) phù hợp với xu phát triển chung 3.1.3 Kinh nghiệm xây dựng vận hành Các nước phát triển có nhiều kinh nghiệm tổ máy USC SC, với thời gian đưa vào vận hành từ đầu thập kỷ 90 kỷ trước Đối với Việt Nam, nay, chưa có dự án có thông số tới hạn vào vận hành Hiện, có dự án Duyên Hải mở rộng Vĩnh Tân giai đoạn xây dựng áp dụng cơng nghệ lị siêu tới hạn (SC) Các dự án khác công suất tương đương với NMNĐ Quảng Trạch I trình chuẩn bị đầu tư nghiên cứu định lựa chọn thông số tới hạn, dừng lại thông số SC Long Phú 1, Sông Hậu Vân Phong Đối với công nghệ USC, Việt Nam nay, chưa có nhà máy áp dụng Do vậy, kinh nghiệm xây dựng vận hành hồn tồn chưa có Đây điểm không lợi lựa chọn công nghệ USC 3.1.4 Sự phù hợp đặc tính nhiên liệu Cơ kết cấu loại lò USC SC tương tự, đó, ảnh hưởng đặc tính than đến q trình cháy loại lị không khác Việc sử dụng loại than bitum/bitum cho dự án phù hợp cho loại lị USC SC 3.1.5 Tác động mơi trường Việc áp dụng thông số USC làm tăng hiệu suất nhà máy, giảm tiêu thụ nhiên liệu đảm bảo công suất điện Việc giảm tiêu thụ than lượng điện sản xuất đồng nghĩa với việc giảm lượng phát thải bụi, NOx, SO2, CO2 môi trường Nhà máy USC hàng năm phát thải bụi, NOx, SO2, CO2 thấp so với nhà máy SC, nhiên khơng nhiều 3.1.6 Tính cạnh tranh thị trường Cơng nghệ lị SC USC nhiều nhà chế tạo lò giới nghiên cứu, phát triển thương mại hóa Các nhà chế tạo tiếp tục đầu tư nghiên cứu để nâng cao thông số nhà máy điện đốt than nhằm mục đích sản xuất điện ngày hơn, định hướng cam kết lâu dài nguồn nhiệt điện than nguồn sản xuất điện giới 3.2 Phân tích lựa chọn phương án tối ưu Qua phân tích đánh giá tiêu kinh tế kỹ thuật việc áp dụng thơng số SC1 (24,2MPa/566°C/566°C) khơng có ưu so với công nghệ cận tới hạn sử dụng Thêm vào đó, phương án khơng phù hợp với xu hướng phát triển chung giới 13 Trong đó, phương án sử dụng thơng số USC2 (280MPa/600°C/620°C) nhiều hạn chế chi phí đầu tư cao, nhà cung cấp, kinh nghiệm vận hành bảo dưỡng đòi hỏi mức độ cao hẳn so với thông số thấp nêu Do đó, khơng xem xét lựa chọn thông số SC1 USC2 mà tập trung xem xét lựa chọn phương án thông số SC2 USC1 cho dự án NMNĐ Quảng Trạch I Đối với phương án thông số USC1, Việt Nam chưa có nhà máy áp dụng cơng nghệ này, nên kinh nghiệm xây dựng vận hành chưa có Mặc dù vậy, NMNĐ Quảng Trạch I áp dụng thơng sơ USC1 nêu nhà máy Việt Nam áp dụng công nghệ tiên tiến này, đánh dấu bước phát triển cơng nghệ lị nhiệt điện đốt than, tiếp cận đến công nghệ sản xuất điện tiên tiến giới Trong đó, với phương án thơng số SC2, có số dự án Duyên Hải mở rộng Vĩnh Tân áp dụng cơng nghệ lị siêu tới hạn có thơng số gần với SC2 giai đoạn xây dựng, dự án vào vận hành khoảng năm 2017-2018 Như vậy, điểm thuận lợi việc áp dụng thông số (SC2) thừa hưởng kinh nghiệm triển khai dự án, kinh nghiệm xây dựng, chạy thử nghiệm vận hành nhà máy Về chi phí đầu tư, rõ ràng phương án thơng số SC2 có chi phí thấp so với USC1 Ước tính rằng, với giá than việc áp dụng thơng số SC2 có ưu USC1 chi phí phát điện Phương án USC1 có ưu giá than cao 120 USD/tấn chi phí đầu tư ban đầu giảm xuống Tóm lại, qua phân tích, đánh giá phương án cơng nghệ khác nhau, đối chiếu với tình hình kinh tế, kỹ thuật lực, Ban Quản lý Dự án đề xuất phương án SC2, sử dụng công nghệ siêu tới hạn với cặp thông số 24,2MPa /566°C /593°C Phương án trình phê duyệt Tổng cục Năng lượng Việt Nam - Bộ Công Thương 3.3 Lựa chọn công nghệ đốt than Hiện nay, nhà máy nhiệt điện đốt than thường sử dụng loại cơng nghệ lị chủ yếu là: cơng nghệ lị than phun cơng nghệ lị tầng sơi tuần hồn Do đó, dự án so sánh lựa chọn hai loại lò than phun lị tầng sơi tuần hồn Bảng Bảng so sánh tiêu cơng nghệ lị Chỉ tiêu Cơng suất lị Chất lượng nhiên liệu Chuẩn nhiên liệu bị Phát thải khí NOx Lị tầng sơi tuần hồn (CFB) Đến 300 MW Lị than phun (PC) Đến 1.000 MW Nhiên liệu sử dụng đa dạng Phù hợp với than antraxit có nhiệt trị thấp < 4.000 kcal/kg, hàm lượng tro lưu huỳnh cao Than nghiền đến kích thước định, phù hợp với điều kiện tầng sơi Kích thước than nhỏ mm < 400 mg/Nm3, không cần thiết bị khử NOx Nhiên liệu có chất lượng giới hạn khoảng nhỏ Chỉ phù hợp với loại than dễ nghiền hàm lượng lưu huỳnh thấp Than nghiền tiêu thụ lượng lớn Hệ thống chế biến cồng kềnh phức tạp Kích thước than nhỏ > 1000 mg/Nm3, cần thiết bị khử NOx Bùi Ngọc Dũng, Nguyễn Quốc Huy 14 Chỉ tiêu Phát thải khí SOx Khả đóng xỉ Tổn thất nhiệt qua xỉ Ăn mòn buồng lửa Hiệu suất lò Độ tin cậy vận hành Điện tự dùng Giá thành lò Thời gian xây dựng lắp đặt Tổng chi phí Lị tầng sơi tuần hồn (CFB) Thấp lị than phun, đạt