Chương PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CƠNG NGHỆ NHÀ MÁY (SUPER-CRITICAL & ULTRA-SUPERCRITICAL) Tháng 10/2017 Thực hiện: Nguyễn Văn Toán Kiểm tra: Vũ Việt Dũng Ngày Ký tên MỤC LỤC TỔNG QUAN LỰA CHỌN THÔNG SỐ HƠI CHU TRÌNH NHIỆT SO SÁNH KINH TẾ – KỸ THUẬT Tổng Công Ty Phát Điện Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện Thiết kế chuẩn cơng trình Nhà máy Nhiệt điện TỔNG QUAN Công nghệ nhiệt điện ngưng (NĐNH) công nghệ phát điện truyền thống, phát triển thời gian dài, hiệu suất tương đối cao, công suất tổ máy cao cơng nghệ phát điện (có thể đạt 1,000 MW), độ tin cậy tuổi thọ nhà máy cao Cơng nghệ nhiệt điện ngưng cịn cho phép đa dạng hóa việc sử dụng nhiên liệu đầu vào than, dầu … Nhà máy công nghệ nhiệt điện ngưng có số điểm hạn chế như: suất đầu tư cao, thời gian xây dựng dài (trên 40 tháng) không linh hoạt vận hành so với loại cơng nghệ phát điện khác Do đó, nhà máy NĐNH thích hợp cho vận hành chế độ tải Các thiết bị nhà máy cơng nghệ nhiệt điện ngưng bao gồm: Lò hơi, Tuabin Máy phát Nhiên liệu dầu DO lựa chọn nhiên liệu dự phòng trường hợp khởi động vận hành chế độ tải thấp (dưới 30% công suất tổ máy) Trên giới nay, công nghệ phổ biến áp dụng nhà máy nhiệt điện đốt than theo công nghệ nhiệt điện ngưng truyền thống công nghệ (cận) tới hạn (Sub-Critical – SSC), công nghệ tới hạn (Super-Critical – SC) công nghệ siêu tới hạn (Ultra-Super Critical – USC) Điểm tới hạn nước (Critical Point) áp suất 22,06MPa nhiệt độ 373,95°C Do đó, thơng số ban đầu vào tuabin có áp suất nhiệt độ thấp điểm tới hạn, gọi công nghệ nhà máy nhiệt điện than (cận) tới hạn; tương tự, thông số ban đầu vào tuabin có áp suất nhiệt độ cao điểm tới hạn, gọi cơng nghệ nhà máy nhiệt điện than tới hạn Thuật ngữ, công nghệ nhà máy nhiệt điện than siêu tới hạn để gọi cho thông số ban đầu cao nhiều so với điểm tới hạn nước Theo OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development) phân biệt thông số công nghệ nhà máy nhiệt điện than sau: Bảng 1.1 Phân loại định nghĩa công nghệ nhà máy nhiệt điện Công nghệ nhà máy Định nghĩa Dưới (cận) tới hạn – SSC Thơng số có áp suất < 221bar, phát thải CO2 > 850g CO 2/kWh Trên tới hạn – SC Thơng số có áp suất > 221bar nhiệt độ > 550°C, phát thải CO2 dải 750~850g CO2/kWh Siêu tới hạn – USC Thơng số có áp suất > 240bar nhiệt độ ≥ 593°C, phát thải CO2 < 750g CO2/kWh Nguồn: OECD – Sector Understanding on Export Credits for Coal-Fired Electricity Generation Project, 27-Nov-2015 Theo lịch sử phát triển công nghệ nhà máy nhiệt điện than, biểu đồ bên cho thấy q trình phát triển thơng số kiểm chứng công nghệ nêu Công nghệ (cận) tới hạn áp dụng đưa vào vận hành từ năm 1960, năm 1970~1990 áp dụng vận hành nhà máy công Quyển 3, Chương – Phân tích lựa chọn cơng nghệ nhà máy Ấn 3, tháng 10/2017 Trang / Tổng Công Ty Phát Điện Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện Thiết kế chuẩn cơng trình Nhà máy Nhiệt điện nghệ tới hạn (SC), góp phần đáng kể cho cách mạng công nghiệp lần thứ thành cơng tồn giới Cho đến năm 1995~2000, toàn cầu nhận thức tầm quan trọng ý nghĩa sống việc tiết kiệm nhiên liệu hóa thạch (than, dầu mỏ, khí đốt), khai thác sử dụng hiệu nguồn lượng sơ cấp, bảo vệ mơi trường tồn cầu; đó, cơng nghệ siêu tới hạn nghiên cứu mạnh mẽ áp dụng phổ biến ngày Hình 1.1 Lịch sử phát triển thông số ban đầu Nguồn: IHI Corporation® Trong xu hướng nay, việc nâng cao hiệu sử dụng lượng bảo vệ mơi trường tồn cầu quan tâm đầu tư nghiên cứu công nghệ mới, công nghệ siêu tới hạn cải tiến (Advance Ultra-Super Critical – A-USC) nghiên cứu để áp dụng tương lai gần Công nghệ A-USC thông số ban đầu có áp suất lên đến 30MPa nhiệt độ lên đến 700°C LỰA CHỌN THÔNG SỐ HƠI CHU TRÌNH NHIỆT Việc lựa chọn tổ máy có cơng suất cao thường đôi với việc lựa chọn thông số đầu vào tuabin cao nhằm đạt hiệu suất chung nhà máy cao hơn, qua nâng cao tính hiệu kinh tế - tài dự án Như trình bày trên, thông số chia thành loại: (cận) tới hạn (subcritical), tới hạn (super-critical) siêu tới hạn (Ultrasuper-critical) Thơng số đầu vào chu trình nhiệt cao giúp nâng cao hiệu suất chu trình, giảm thời gian khởi động khởi động từ trạng thái nguội, giảm tiêu hao nhiên liệu Nhưng ngược lại, việc nâng cao thông số yêu cầu phải sử dụng vật liệu tốt hơn, làm tăng chi phí đầu tư, vận hành bảo trì Việc lựa chọn thông số cho nhà máy nhiệt điện Việt Nam cần xem xét dựa yếu tố thời gian kiểm chứng công nghệ, hiệu suất nhà máy, độ an toàn Quyển 3, Chương – Phân tích lựa chọn cơng nghệ nhà máy Ấn 3, tháng 10/2017 Trang / Tổng Công Ty Phát Điện Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện Thiết kế chuẩn cơng trình Nhà máy Nhiệt điện tin cậy, khả đáp ứng trình độ cơng nghệ, kinh nghiệm vận hành bảo trì, rủi ro cơng nghệ, v.v nhằm tránh rủi ro trình vận hành bảo trì Trong năm 1995~2015, cơng nghệ (cận) tới hạn có hiệu suất thấp thường chọn nhờ tính đơn giản vận hành, chi phí thấp, độ tin cậy cao rủi ro thấp Tuy nhiên điều kiện nay, tổ máy có cơng suất khoảng 600MW trở lên có xu hướng lựa chọn thông số tới hạn (SC) thơng số siêu tới hạn (USC) có áp suất nhiệt độ ban đầu lên đến 26MPa/620/620°C Đây dải thông số cho phép cải thiện hiệu suất đáng kể, kiểm chứng giới, chi phí đầu tư O&M khơng q cao Mặt khác, theo xu hướng chung giới nâng cao hiệu sử dụng nhiên liệu sơ cấp bảo vệ môi trường, công nghệ tới hạn (SC) công nghệ siêu tới hạn (USC) kiến nghị xem xét áp dụng Công nghệ (cận) tới hạn (SSC) khơng khuyến khích áp dụng cơng nghệ lạc hậu cho hiệu sử dụng lượng thấp Theo cam kết Thủ tướng Việt Nam COP 21 (Conference of the Parties – Twenty-first session) Paris ngày 30/11-11/12/2015 liên quan lộ trình giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính, điều khoản thu xếp tài OECD, công nghệ tới hạn siêu tới hạn khuyến khích áp dụng Một số thơng số hiệu suất nhà máy nhiệt điện ngưng trình bày bảng sau: Bảng 1.2 Loại thơng số Thông số (cận) tới hạn (Subcritical) Thông số tới hạn (Super Critical) Thông số siêu tới hạn (UltraSuper Critical) Thông số ban đầu hiệu suất Áp suất chính/Nhiệt độ chính/Nhiệt độ tái sấy Hiệu suất nhà máy (Hiệu suất thô) -HHV 16,7 MPa/538/538°C 38÷40,8% 17,0 MPa/538/566°C 39÷41,4% 17,0 MPa/566/566°C 41,4÷41,7% 24,1MPa/538/593°C 41,6÷41,8% 24,1MPa/566/593°C 41,7÷42,0% 24,1MPa/593/593°C 42,3÷42,6% 24,5MPa/600/600°C 42,2÷43,4% 28,5MPa/600/620°C 42,3÷43,6% Một số ưu điểm lị thơng số tới hạn siêu tới hạn so với lị có thông số (cận) tới hạn: Sử dụng thông số tới hạn siêu tới hạn giúp nâng cao hiệu suất nhà máy lên đến khoảng 2,4% (SC) khoảng 5,6% (USC) Việc nâng cao hiệu suất giúp làm giảm tiêu thụ nhiên liệu sơ cấp, từ giảm phát thải khói bụi theo giảm chi phí cho thiết bị xử lý khói thải phía sau lị hơi; Quyển 3, Chương – Phân tích lựa chọn cơng nghệ nhà máy Ấn 3, tháng 10/2017 Trang / Tổng Công Ty Phát Điện Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện Thiết kế chuẩn công trình Nhà máy Nhiệt điện Với ưu điểm nâng cao hiệu suất tổ máy làm giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu than nhiên liệu dầu, giảm lưu lượng nước làm mát tuần hoàn Điều làm giảm công suất hệ thống cung cấp than, cung cấp dầu, hệ thống nước làm mát tuần hoàn, kênh lấy nước thải nước, hệ thống xử lý nước nhà máy Các lò tới hạn siêu tới hạn không sử dụng bao nên làm giảm phần vốn đầu tư, tăng khả linh động tổ máy thay đổi phụ tải, thời gian khởi động rút ngắn khởi động trạng thái nguội; Các thông số đầu vào tuabin tăng làm tăng khoảng 5% công suất đơn vị tổ máy Tuy nhiên, áp dụng công nghệ siêu tới hạn cần lưu ý đến vấn đề sau: Hệ thống điều khiển nhà máy phức tạp hơn; Chất lượng nước chu trình nhiệt cần kiểm sốt khắt khe nhằm tránh tượng đóng cáu trao đổi nhiệt tầng cánh tuabin, làm tăng chi phí vận hành nhà máy; Mặt khác thông số cao đòi hỏi thay đổi bề mặt trao đổi nhiệt sử dụng vật liệu chất lượng cao cho lò hơi, đường ống tuabin hơi; Các thiết bị phụ trợ bơm cấp, gia nhiệt, điều chỉnh nhiệt, v.v cần nâng cấp để phù hợp với thông số hơi; Việc sử dụng bơm cấp có áp suất cao số lượng bình gia nhiệt khơng q khác biệt so với áp dụng công nghệ (cận) tới hạn yếu tố làm tăng chi phí đầu tư vật liệu chế tạo bình gia nhiệt cao áp phải chịu áp lực cao hơn; Các biện pháp chống ăn mịn nhiệt độ cao làm tăng chi phí vận hành tổ máy; Cấu trúc tuabin tương tự có thay đổi số cửa trích giá trị nhiệt giáng tầng tuabin Các vấn đề giải thơng qua chương trình đào tạo chuyên gia nhiều kinh nghiệm dẫn áp dụng công nghệ xử lý nước ngưng kết hợp Hiện nay, thông số tới hạn siêu tới hạn áp dụng phổ biến cho nhà máy nhiệt điện ngưng có cơng suất từ 600 MW trở lên giới Với phát triển ngành công nghệ vật liệu với cải tiến việc chế tạo lò sinh có thơng số cao giúp giảm chi phí đầu tư nhà máy điện dạng Nhờ hiệu suất nhà máy cao phí nhiên liệu đầu vào giảm từ giảm chi phí vận hành nhà máy, độ sẵn sàng an tồn cơng nghệ kiểm chứng Một số nhà máy nhiệt điện sử dụng công nghệ tới hạn siêu tới hạn giới trình bày bảng sau: Bảng 1.3 Một số nhà máy nhiệt điện giới áp dụng công nghệ SC USC Quyển 3, Chương – Phân tích lựa chọn cơng nghệ nhà máy Ấn 3, tháng 10/2017 Trang / Tổng Công Ty Phát Điện Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện Thiết kế chuẩn cơng trình Nhà máy Nhiệt điện Công suất (MW) Thông số Năm vận hành Quốc gia Tomato Atsuma số 600 24,1MPa / 538/566°C 1985 Nhật Bản Noshiro số 600 25,0MPa / 570/596°C 1994 Nhật Bản Reihoku số 700 25,0MPa / 570/568°C 1995 Nhật Bản Tachibanawan số 1.050 25,9MPa / 605/613°C 2000 Nhật Bản Hekinan số 1.000 25,0MPa / 571/596°C 2001 Nhật Bản 600 27,5MPa / 605/613°C 2002 Nhật Bản Hekinan số 1.000 25,0MPa / 571/596°C 2002 Nhật Bản Niederaussem K 1.012 25,5MPa / 576/599°C 2003 Đức Isogo (mới) số 600 27,2MPa / 605/623°C 2009 Nhật Bản Maizuru số 900 24,5MPa / 595/595°C 2010 Nhật Bản Belchatow 858 27,5MPa / 550/580°C 2010 Ba Lan Hirono số 600 24,5MPa / 600/600°C 2013 Nhật Bản Manjung 1.080 4.095psi / 600/605°C 2015 Malaysia Tanjung Bin, Unit 1.000 28,24MPa / 600/605°C 2015 Malaysia 600 USC 2016 Thái Lan Tên nhà máy Isogo (mới) số Mae Moh 14 Nguồn: Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện (PECC2®) Nhìn chung, với phương án sử dụng thơng số tới hạn/ siêu tới hạn chi phí đầu tư tăng lên; nhiên, chi phí bù đắp nhờ hiệu suất nhà máy cao, lượng than tiêu thụ hàng năm giảm xuống Đặc biệt nhà máy sử dụng nguồn than nhập có chất lượng giá nhiên liệu cao, chi phí tiết kiệm đáng kể Mặt khác, lượng than tiêu thụ giảm giúp giảm phát thải, từ giảm chi phí cho hệ thống xử lý khói thải, bãi xỉ Bên cạnh đó, áp dụng cơng nghệ đốt hiệu suất cao giảm phát thải CO2, dự án xin hỗ trợ ưu đãi từ Chính phủ hay tổ chức quốc tế dành cho dự án phát triển theo chế phát triển (Clean Development Mechanism – CDM), từ nâng cao thêm hiệu kinh tế dự án Tại Việt Nam chuyển sang áp dụng công nghệ SC USC cho dự án vòng năm trở lại Tuy nhiên, chưa có tổ máy vào vận hành thương mại Bảng thống kê dự án áp dụng SC USC triển khai sau Quyển 3, Chương – Phân tích lựa chọn cơng nghệ nhà máy Ấn 3, tháng 10/2017 Trang / Tổng Công Ty Phát Điện Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện Bảng 1.4 Nhà máy điện NMĐ Vĩnh Tân Thiết kế chuẩn cơng trình Nhà máy Nhiệt điện Các NMĐ áp dụng công nghệ SC USC Việt Nam Công suất (MW) Thông số (MPa/°C/°C) Tiến độ vận hành thương mại (COD) 2×600 24,2 / 566 / 593 (SC) Tổ máy #1: 04/2018 (đang commissioning) Tổ máy #2: 12/2017 (đang commissioning) NMĐ Vĩnh Tân 4MR 1×600 24,2 / 566 / 593 (SC) Đang thi công COD tháng 01/2020 NMĐ Vĩnh Tân 2×620 24,2 / 566 / 566 (SC) Tổ máy #1: 09/2018 (đang thi công) Tổ máy #2: 01/2019 (đang thi công) NMĐ Duyên Hải 3MR 1×688 24,2 / 566 / 566 (SC) Đang thi cơng COD tháng 06/2018 NMĐ Quảng Trị 2×660 26,0 / 600 / 600 (USC) F/S phê duyệt tháng 12/2016 Nguồn: Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện (PECC2®) Tổ máy USC AEP Philo Unit vận hành từ năm 1957-1975 Ohio, Mỹ; Tuy nhiên, công nghệ USC đặc biệt công nghệ SC giới thương mại hóa áp dụng phổ biến khoảng 25 năm, kiểm chứng cơng nghệ, tính ổn định ưu điểm Và Việt Nam thay đổi việc áp dụng công nghệ với tổ máy tới hạn (SC) thi công, đưa vào vận hành vài năm tới; tổ máy siêu tới hạn (USC) Bộ Công Thương phê duyệt Báo cáo Nghiên cứu Khả thi, trình đàm phán hợp đồng EPC, hợp đồng PPA hợp đồng BOT Trước áp lực lớn môi trường ngành cơng nghiệp nhiệt điện góp phần hạn chế tác hại biến đổi khí hậu tồn cầu, việc áp dụng công nghệ USC dự án nhà máy nhiệt điện than xu hướng đắn Song song với đào tạo đội ngũ vận hành đủ trình độ kinh nghiệm, để đảm bảo tổ máy USC vào vận hành ổn định tin cậy Ngoài ra, chủng loại than áp dụng cho dự án ảnh hưởng đến việc lựa chọn công nghệ Than nước chủ yếu than Antraxit, loại than có độ ẩm chất bốc thấp nên khó đốt kiệt, hiệu suất q trình khơng tốt q trình cháy than Bitum Sub-bitum Hiện nay, có dự án NMĐ Vĩnh Tân (2×620MW – BOT) sử dụng than Antraxit cám 6A, áp dụng công nghệ SC Theo cân cung cầu việc cung cấp than, Tập đoàn Than khống sản Việt Nam khơng đủ than để cung cấp cho dự án Do đó, dự án nhà máy nhiệt điện than nhập than từ Indonesia, Úc, Nga,… loại than Bitum Sub-Bitum Với loại than này, theo yêu cầu nâng cao hiệu sử dụng nhiên liệu, giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính phân tích trên, công nghệ SC USC kiến nghị áp dụng, đặc biệt công nghệ USC Quyển 3, Chương – Phân tích lựa chọn cơng nghệ nhà máy Ấn 3, tháng 10/2017 Trang / Tổng Công Ty Phát Điện Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện Thiết kế chuẩn cơng trình Nhà máy Nhiệt điện SO SÁNH KINH TẾ – KỸ THUẬT Việc so sánh đặc điểm công nghệ nêu chi tiết phần Tuy nhiên, để có sở lựa chọn giải pháp cơng nghệ có hiệu kinh tế suốt vịng đời dự án, việc phân tích so sánh kinh tế giải pháp công nghệ xem xét So sánh, phân tích đánh giá hiệu kinh tế giải pháp công nghệ cần phải xem xét mặt bằng, giới hạn dự án cụ thể, công suất, địa điểm, chủng loại than, sở hạ tầng dùng chung tương đương nhau, đặc biệt xuất xứ hàng hóa thiết bị Trong giới hạn báo cáo thiết kế chuẩn chưa biết cụ thể điều kiện nêu trên, nên việc so sánh, đánh giá hiệu kinh tế thực Tuy nhiên, phần thống kê số dự án điển hình theo cơng nghệ SSC, SC USC thực Việt Nam theo dải công suất tổ máy 600~660MW để tham khảo có thơng tin giải pháp công nghệ Bảng 1.5 TT So sánh kinh tế – kỹ thuật giải pháp công nghệ Thông số Dải công suất tổ máy Suất đầu tư theo hợp đồng EPC Thông số ban đầu Hiệu suất thô tổ máy (HHV) Đơn vị SSC SC USC MW 600 600 660 850~1.000 1.000~1.350 1.100~1.400 16,67/538/538 24,2/566/566 26,0/600/600 39,0~40,5 40,2~41,5 42,41 USD/kW MPa/°C/°C % Ghi chú: – Suất đầu tư theo hợp đồng EPC nêu không bao gồm phần cảng, sở hạ tầng dùng chung nhà máy – Các tổ máy SSC thống kê theo số NMĐ điển hình Việt Nam Vĩnh Tân 2, Duyên Hải 1, Duyên Hải 3, Nghi Sơn 2, Vũng Áng 1, Long Phú – Các tổ máy SC thống kê theo số NMĐ điển hình Việt Nam Vĩnh Tân 4, Vĩnh Tân 4MR, Duyên Hải MR, Duyên Hải – Tổ máy USC tham khảo từ dự án NMĐ Quảng Trị 1, EGATi – Thái Lan đầu tư theo hình thức BOT – Hiệu suất tổ máy phụ thuộc nhiều vào thông số ban đầu đặc tính nhiên liệu than Nguồn: Cơng ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện (PECC2®) Công nghệ (cận ) tới hạn (SSC) không khuyến khích áp dụng cơng nghệ lạc hậu, hiệu suất thấp, phát thải khí CO2 đáng kể nhiều so với công nghệ SC USC Do đó, việc xem xét áp dụng phổ biến cơng nghệ SC đặc biệt USC Việt Nam cần thiết, phù hợp với xu hướng phát triển chung giới Dưới đưa so sánh hiệu kinh tế – kỹ thuật giải pháp công nghệ SC USC cho trường hợp cụ thể dự án NMĐ Quảng Trị để tham khảo thêm Quyển 3, Chương – Phân tích lựa chọn công nghệ nhà máy Ấn 3, tháng 10/2017 Trang / Tổng Công Ty Phát Điện Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện Bảng 1.6 TT Thiết kế chuẩn cơng trình Nhà máy Nhiệt điện So sánh kinh tế – kỹ thuật SC&USC dự án NMĐ Quảng Trị Các thông số Đơn vị SC USC USC 24,2/566/566 26/600/600 26/620/620 Tăng chi phí đầu tư thiết bị (trước thuế) % Cơ sở tăng 4,42% tăng 5,94% Chi phí tiết kiệm giảm tiêu thụ nhiên liệu (quy NPV) % Cơ sở giảm 4,13% giảm 5,03% Hiệu kinh tế (quy NPV) % Cơ sở tăng 1,42% tăng 1,55% Nguồn: Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện (PECC2®) Theo bảng cho thấy chuyển sang cơng nghệ siêu tới hạn (USC) có thơng số đầu vào cao, hiệu kinh tế suốt vòng đời dự án tốt Ngồi ra, phát thải mơi trường cần xem xét đánh giá, đặc biệt bối cảnh giới ứng phó với biến đổi khí hậu tồn cầu, việc giảm thải khí CO2 áp dụng cơng nghệ USC cần thiết Điều thể rõ COP21 Paris cuối năm 2015 Giảm phát thải môi trường áp dụng công nghệ USC cho dự án Quảng Trị trình bày chi tiết bảng sau để tham khảo thêm Bảng 1.7 TT So sánh phát thải môi trường SC&USC dự án NMĐ Quảng Trị Thông số Đơn vị SC USC USC 24,2/566/566 26/600/600 26/620/620 Tro xỉ Tấn/năm 239.391 229.456 227.312 Phát thải NOx Tấn/năm 4.998 4.845 4.799 Phát thải SOx Tấn/năm 3.388 3.284 3.253 Phát thải Bụi Tấn/năm 1.441 1.397 1.384 Phát thải CO2 Tấn/năm 8.930.585 8.557.792 8.477.451 Nguồn: Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện (PECC2®) Quyển 3, Chương – Phân tích lựa chọn cơng nghệ nhà máy Ấn 3, tháng 10/2017 Trang /