Tkc q3 chuong 18 he thong hydro (rev 3)

Chương 18 HỆ THỐNG SẢN XUẤT HYDRO Tháng 10/2017 Thực hiện: Đinh Hồng Sơn Kiểm tra: Bùi Văn Tú Ngày Ký tên MỤC LỤC TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ SỰ CẦN THIẾT 1.1 Sự cần thiết 1.2 Tổng quan công nghệ 2 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ 2.1 Các công nghệ sản xuất hydro 3 CƠ SỞ THIẾT KẾ 3.1 Cơ sở thiết kế 3.2 Tiêu chuẩn áp dụng TÍNH TỐN CƠNG SUẤT HỆ THỐNG .6 CẤU HÌNH HỆ THỐNG 5.1 Các thiết bị 5.2 Vật liệu chế tạo .8 5.3 Mô tả thiết bị 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 VỀ CÔNG NGHỆ VÀ SỰ CẦN THIẾT Trong nhà máy nhiệt điện, hydro dùng để làm mát máy phát điện thông thường nhà máy điện phải đầu tư lắp đặt hệ thống sản xuất hydro để đảm bảo nhu cầu chủ động q trình vận hành, ngồi tự sản xuất hydro, kích thước bồn dự trữ giảm đáng kể, giảm rủi ro cháy nổ trình vận chuyển lưu kho Hydro phải ln sản xuất dự trữ để đảm bảo nhà máy điện hoạt động liên tục ổn định 1.1 Sự cần thiết Trong trình làm việc, cuộn dây máy phát điện phát sinh nhiệt, nhiệt làm hỏng cách điện biến dạng cuộn dây, gây hư hỏng máy phát Ngồi ra, nhiệt cịn làm giảm hiệu suất, tuổi thọ máy phát hiệu ứng nhiệt làm nhiệt độ cuộn dây tăng cao Để kiểm soát nhiệt độ máy phát giữ thiết bị vận hành hiệu suất cao, máy phát cần phải làm mát phù hợp Tùy theo công suất, máy phát điện có phương thức làm mát khác Có ba loại làm mát áp dụng nhà máy điện: làm mát khơng khí, làm máy hydro làm máy nước Các phương thức làm mát khác tùy thuộc vào công suất máy phát điện thể biểu đồ Đối với nhà máy nhiệt điện có tổ máy có cơng suất nhỏ, máy phát thường làm mát khơng khí Với tổ máy trung bình, khơng khí khơng thể đáp ứng nhu cầu làm mát, hydro sử dụng để làm mát, cịn tổ máy có cơng suất lớn, hydro đáp ứng nhu cầu làm mát, nước sử dụng để làm mát Kiểu làm mát sử dụng cho máy phát tùy thuộc vào nhà chế tạo Chương mô tả hệ thống sản xuất hydro dung máy phát làm mát hydro Quyển 3, Chương 18 – Hệ thông sản xuất hydro Ấn 3, tháng 10/2017 Trang / 10 Tổng Công Ty Phát Điện Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 1.2 Thiết kế chuẩn cơng trình Nhà máy Nhiệt điện Tổng quan cơng nghệ Khí hydro chọn để làm mát máy phát có ưu điểm nhiệt dung riêng (heat capacity) độ dẫn nhiệt (heat conductivity) cao nên lượng nhiệt tải lớn Ngoài ra, độ nhớt (viscosity) hydro thấp giúp cho tổn hao khí động học (windage/friction) thấp so với khơng khí q trình làm mát máy phát điện Tổn hao khí động học chiếm tới 30-40% tổn hao hiệu suất máy phát Các tổn hao khí động học phụ thuộc nhiều vào độ tinh khiết hydro, độ tinh khiết thấp dẫn đến tổn hao khí động học cao Biểu đồ mô tả tương quan độ tinh khiết tổn hao khí đơng học gây Độ tinh khiết hydro trình vận hành tùy thuộc vào nhà chế tạo máy phát phải trì để đảm bảo khả làm mát hiệu suất máy phát Bảng liệt kê độ tinh khiết hydro nhà máy nhiệt điện hữu Stt Nhà máy điện Độ tinh khiết hydro, % Công nghệ điện phân Vĩnh Tân 99,75 Kiềm Vĩnh Tân 99,9 Kiềm Duyên Hải 99,75 Kiềm Mông Dương 99,8 PEM Độ tinh khiết hydro trường hợp phải trì 95% để đảm bảo khả chống cháy nổ trình vận hành, để ngăn ngừa cháy nổ, khí trơ, thơng thường nitơ, sử dụng để thổi khơng khí khỏi máy phát trước nạp hydro, dùng để đẩy hydro khỏi máy phát trường hợp cần thiết Trong nhà máy điện, hydro thường sản xuất cách điện phân nước Nguyên lý đện phân nước dùng dòng điện chiều nối với điện cực đặt nước mức điện áp định, hydrô ôxy sinh điện cực dương âm Lược khí sinh tỉ lệ trực tiếp với dòng điện qua điện cực Phản ứng điện hóa xảy điện cực sau: Tại anode: 2H2O > O2 + H+ + 4eQuyển 3, Chương 18 – Hệ thông sản xuất hydro Ấn 3, tháng 10/2017 Trang / 10 Tổng Công Ty Phát Điện Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện Thiết kế chuẩn cơng trình Nhà máy Nhiệt điện Tại cathode: 2H+ +2e- < > H2 Phương trình tổng quát sau: 2H2O > 2H2 + O2 Để tăng hiệu suất trình điện phân, thông thường chất điện giải bổ sung vào nước để làm tăng khả phân ly ion H+, OH- tăng độ dẫn điện Các chất điện giải thơng thường axít kiềm Kiềm thường sử dụng có tính ăn mịn thấp Ngoài ra, màng điện phân polimer (PEM: Polymer electrolyte membrane) thường sử dụng sản xuất hydro Màng điện phân có ưu điểm khơng sử dụng hóa chất có tính ăn mịn cao giảm thiểu khả nhiễm mơi trường Do có cấu tạo kiểu màng rắn, hydro sản xuất theo phương pháp có độ tinh khiết cao Ngồi ra, làm việc cường độ dịng điện cao, chi phí vận hành thấp Sơ đồ tổng thể hệ thống hydro nhà máy sau: 2.1 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CƠNG NGHỆ Các cơng nghệ sản xuất hydro Có phương pháp sản xuất hydro áp dụng công nghiệp gồm phương pháp hóa nhiệt điện phân Phương pháp hóa nhiệt dùng nhiệt phản ứng hóa học để thay đổi cấu trúc phân tử khí NG, than, nhiên liệu sinh học…để sản xuất hydro Nhiệt phân có cơng nghệ phức tạp, phù hợp với qui mô sản xuất lớn Điện phân sử dụng lượng điện để tách hydro ơxy Điện phân có cơng nghệ đơn giản nên khả tự động hóa cao thường chọn để sản xuất hydro nhà máy điện có suất đầu tư chi phí sản xuất cao Quyển 3, Chương 18 – Hệ thông sản xuất hydro Ấn 3, tháng 10/2017 Trang / 10 Tổng Công Ty Phát Điện Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện Thiết kế chuẩn cơng trình Nhà máy Nhiệt điện Có hai phương pháp điện phân nước sử dụng công nghiệp: điện phân dung dịch kiềm sử dụng màng điện phân (PEM) Ngoài cịn có phương pháp điện phân điện cực ơxýt rắn (SOEC solid oxide electrolyzer cell) phương pháp nghiên cứu, phát triển chưa ứng dụng rộng rãi công nghiệp sản xuất hydro Công nghệ SOEC nghiên cứu ứng dụng chủ yếu pin nhiên liệu (fuel cell) có tính thuận nghịch chuyển hóa ngược hydro ôxy thành điện Các phương pháp điện phân kiềm PEM mơ tả hình sau Bảng so sánh hai phương pháp điện phân kiềm PEM: STT Điện phân kiềm Điện phân PEM Công nghệ kiểm chứng Công nghệ phát triển từ lâu Hiệu suất thấp PEM, khoảng Hiệu suất cao, khoảng 57% 41% Dùng dung dịch điện phân kiềm, Không sử dụng dung dịch điện phân, có rủi ro gây ăn mịn hệ thống, ô nước đưa trực tiếp đến điện cực nhiễm mơi trường Có cấu tạo vách ngăn dạng xốp Có cấu tạo màng rắn hai điện cực (porpose separator) gữia hai điện nên sản xuất hydro có độ tinh khiết cực nên hydro ôxy cao Quyển 3, Chương 18 – Hệ thông sản xuất hydro Ấn 3, tháng 10/2017 Trang / 10 Tổng Công Ty Phát Điện Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện Thiết kế chuẩn cơng trình Nhà máy Nhiệt điện STT Điện phân kiềm Điện phân PEM thẩm thấu qua vách ngăn Hiện hai phương pháp điện phân kiềm màng PEM ứng dụng rộng rãi sản xuất hydro Việc chọn lựa công nghệ tùy thuộc vào trình chọn lựa, đấu thầu cho dự án Theo phân tích trên, hai cơng nghệ điện phân sử dụng để sản xuất hydro nhà máy điện phục vụ công tác làm mát máy phát 3.1 CƠ SỞ THIẾT KẾ Cơ sở thiết kế Các thông số thiết kế hệ thống hydro tùy thuộc vào yêu cầu hydro máy phát điện Bảng liệt kê liệu điển hình từ máy phát điện (các liệu thay đổi tùy vào loại máy phát nhà chế tạo): Stt Dữ liệu đầu vào yêu cầu Đơn vị tính Giá trị yêu Ghi cầu Nhu cầu bổ sung hydro m3/ngày vận hành bình thường (ở atm, 25oC) 40 Lượng hydro yêu cầu để m3 làm khí CO2 (ở atm, 25oC) 220 Sử dụng lần vận hành Lượng hydro cần để tăng áp m3 suất máy phát lên định mức (ở atm, 25oC) 583 Sử dụng lần vận hành Hàm lượng ẩm (tối đa) ppm