Để tiết giảm chi phí sản suất điện và tối ưu hóa lợi nhuận, Phân xưởng vận hành Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng 1, Tổng công ty Điện lực Dầu khí Việt Nam (PV Power) đã nghiên cứu áp dụng giải pháp hóa mù DO bằng khí nén thay cho phương pháp hóa mù DO bằng hơi bão hòa truyền thống.
PETROVIETNAM TẠP CHÍ DẦU KHÍ Số - 2021, trang 39 - 44 ISSN 2615-9902 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG KHÍ NÉN ĐỂ HÓA MÙ CHO HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU DẦU DIESEL CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VŨNG ÁNG Nguyễn Văn Minh, Trần Quỳnh, Hà Huy Hoàng, Mai Văn Long, Nguyễn Quốc Hương, Phạm Việt Hưng, Nguyễn Hữu Hùng Tổng cơng ty Điện lực Dầu khí Việt Nam Email: nguyenquochuong@pvpower.vn https://doi.org/10.47800/PVJ.2021.09-05 Tóm tắt Tại nhà máy nhiệt điện than, dầu diesel (DO) sử dụng trình khởi động, dừng hoạt động tổ máy đốt kèm để đảm bảo chế độ cháy ổn định Mỗi lần khởi động lại, lò tiêu tốn khoảng 500 DO, tương đương 12 tỷ đồng Để tiết giảm chi phí sản suất điện tối ưu hóa lợi nhuận, Phân xưởng vận hành Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng 1, Tổng cơng ty Điện lực Dầu khí Việt Nam (PV Power) nghiên cứu áp dụng giải pháp hóa mù DO khí nén thay cho phương pháp hóa mù DO bão hịa truyền thống Kết áp dụng phương pháp giúp giảm khối lượng DO lần khởi động xuống 200 tấn, góp phần giảm chi phí sản xuất điện, tối ưu hóa lợi nhuận, đặc biệt tăng tính cạnh tranh thị trường điện Từ khóa: Hóa mù dầu, vịi đốt dầu, lị đốt than phun, khí nén, cháy dầu, Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng 1 Giới thiệu Hiện tại, Tổng cơng ty CP Điện lực Dầu khí Việt Nam (PV Power) vận hành nhà máy điện: Vũng Áng 1, Cà Mau & 2, Nhơn Trạch & 2, Hủa Na, Đăkđrinh với tổng công suất 4.200 MW Việc tối ưu chi phí sản xuất điện yếu tố định đến lợi nhuận giá thành sản xuất điện nhà máy, đến việc gia tăng sản lượng, doanh thu thị trường điện cạnh tranh Theo thiết kế ban đầu, nhiên liệu sử dụng để khởi động lò Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng dầu nặng (HFO - heavy fuel oil) Để đảm bảo tiêu chuẩn phát thải theo quy định Bộ Tài nguyên Môi trường, Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng chuyển đổi sang sử dụng DO từ năm 2018 Việc sử dụng DO thay cho HFO giúp giảm chi phí sản xuất điện thời gian khởi động lị nhanh tiêu thụ dầu Tuy nhiên, việc hóa mù DO phải sử dụng bão hòa khiến thời gian khởi động lò kéo dài chưa thực tiết kiệm Ước tính lần khởi động lại, khối lượng dầu tiêu thụ cần 500 tấn, tương ứng với chi phí khoảng 12 tỷ đồng Ngày nhận bài: 26/5/2020 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 26/5 - 10/6/2021 Ngày báo duyệt đăng: 14/9/2021 Để tiết giảm chi phí khởi động lại tổ máy, Cơng ty CP Điện lực Dầu khí Hà Tĩnh nghiên cứu, thử nghiệm đốt hóa mù dầu khí nén vịi dầu Tổ máy số để so sánh, đánh giá Trong trình đốt, áp suất khí nén hóa mù điều chỉnh thông qua van điều chỉnh đồng hồ áp suất, ghi nhận thơng số để phục vụ tính tốn, phân tích Kết cho thấy vịi dầu sử dụng khí nén để hóa mù cháy ổn định hơn, có hiệu cao so với vịi dầu hóa mù Trên sở đó, Cơng ty CP Điện lực Dầu khí Hà Tĩnh chuyển đổi hồn tồn hệ thống hóa mù vịi dầu Tổ máy số sang sử dụng khí nén dịch vụ từ ngày 18 - 25/3/2021 Xây dựng chương trình thực chuyển đổi việc hóa mù dầu khí nén Các nhà máy điện chủ yếu sử dụng DO nhiên liệu dự phòng cho lị hơi, có độ nhớt thấp, dễ vận chuyển hóa mù Do đó, việc sử dụng hệ thống hóa mù dầu nước làm tăng tiêu hao tự dùng nhà máy, tăng thời gian khởi động tổ máy thời gian chờ đợi khởi động từ lị phụ trợ Hệ thống hóa mù DO sử dụng khí nén (air atomising) tiết kiệm lượng lớn tự dùng cho lần khởi động lị sử dụng khí nén từ hệ thống khí nén chung nhà máy Ngồi ra, khả khởi động nhanh hệ thống máy nén khí làm giảm DẦU KHÍ - SỐ 9/2021 39 CƠNG NGHIỆP ĐIỆN thời gian đưa vịi đốt dầu vào vận hành, từ tăng tính linh hoạt hệ thống vòi đốt dầu phụ trợ q trình thay đổi tải lị Các nghiên cứu Y.H Nazeer [1] cho thấy khả hóa mù vịi đốt dầu sử dụng khí nén tốt so với vịi đốt dầu sử dụng hóa mù Vịi đốt DO sử dụng khí nén để hóa mù có ưu điểm như: Khả phun sương mịn, vận tốc tương đối lớn, dầu cung cấp oxy có sẵn khí nén tăng khả cháy kiệt nhiên liệu, kết cấu vòi đốt tương tự sử dụng hơi, khả vận hành linh hoạt, sử dụng hệ thống khí nén sẵn có, giảm thời gian khởi động lò tiết kiệm tự dùng 2.1 Lý thuyết cháy nhiên liệu lỏng Quá trình cháy q trình phản ứng hóa học ngun tố hóa học với oxy phát lượng nhiệt lớn Cháy hoàn toàn: Hydrocarbon CnHm → xC + yH2 + Cn-xHm-y • Hạn chế phân hủy nhiệt nhiệt độ cao (> 650 oC); • Làm mát miệng phun để đề phòng nhiệt độ gốc lửa cao; • Làm cho nhiệt độ dịng phun sương sau miệng phun thấp xuống; • Đảm bảo hạt sương nhỏ khuếch tán hỗn hợp tốt, tránh tượng khuếch tán vào vùng nhiệt cao thiếu oxy - Vòi phun dầu Căn vào nguyên lý làm việc, vòi phun dầu chia thành loại: Oxygen Nước Đốt cháy Carbon Dioxide CO2 Cháy khơng hồn tồn: Hydrocarbon Khơng đủ O2 - Phương thức cháy Đốt cháy Carbon Monoxide Fine particles Có phương thức cháy nhiên liệu lỏng: (i) Phương thức bốc để cháy: Nhiên liệu lỏng khí hóa hỗn hợp với khơng khí theo tỷ lệ định Ví dụ động xăng; (ii) Phương thức phun sương: Nhiên liệu lỏng thường qua thiết bị phun sương để phun thành dòng bụi dầu nhỏ xung quanh hạt sương dầu có khơng khí Trong cơng nghiệp, q trình cháy nhiên liệu lỏng chủ yếu cháy dạng phun sương - Các biện pháp tăng nhanh trình cháy nhiên liệu lỏng + Tăng nhanh trình bốc nhiên liệu lỏng • Tăng bề mặt bốc hơi; • Tối ưu hóa kết cấu miệng phun, đảm bảo hạt sương nhỏ đồng + Tăng nhanh trình hỗn hợp hạt nhiên liệu khơng khí • Tăng cường khuếch tán, hỗn lưu đối lưu dầu khơng khí; • Tạo dịng lưu chuyển xốy; • Phân gió sơ cấp thứ cấp + Đề phòng giảm nhẹ tượng phân hủy nhiệt • Hạn chế phân hủy nhiệt thành hydrocarbon nặng (khó bắt lửa); Q trình phân hủy nhiệt xảy sau: Cn Hm → nC + 40 Hoặc: DẦU KHÍ - SỐ 9/2021 m H 2 + Miệng phun sương dùng môi chất Trong loại miệng phun này, động mơi chất phun (khí nén nước) có giãn nở tách giọt dầu thành hạt nhỏ li ti gọi “sương” Các lò thường sử dụng nước để làm mơi chất phun sương Có kiểu phun sương nước gồm phun sương nước túy phun sương hỗn hợp nước khí Trong kiểu phun sương nước túy áp lực hệ thống cấp dầu khơng cao, chí dùng độ cao bể chứa dầu đủ, loại miệng phun dùng cho lị cơng nghiệp nhỏ. Kiểu phun sương hỗn hợp nước khí thường dùng cho nhà máy điện lớn Ở áp suất dầu thường vào khoảng 0,5 - 2,0 Mpa, nhờ tác dụng lượng dòng nước dòng dầu mà dầu phun thành hạt “sương” + Miệng phun sương khí Loại ứng dụng rộng rãi lị cơng nghiệp có loại khí ly tâm đơn giản khí ly tâm có rãnh hồi lưu dầu Miệng phun sương khí ly tâm đơn giản có kết cấu đơn giản lưu lượng dầu điều chỉnh theo áp lực dầu PETROVIETNAM Hạt bụi dầu Ngọn lửa khuếch tán giọt Ngọn lửa khí có hỗn hợp trước phần Q trình cháy thể khí theo bốc Quá trình cháy khuếch tán chùm hạt sương Quá trình cháy hỗn hợp có phần hóa khí phần hóa dạng hạt Hình Một số mơ hình vật lý trình cháy theo phun sương đĩa xoáy 12-ф3,75 ф36 Ranh tuyến ф36 ф2 ф56 ф30 ф3,75 Buồng xoáy ф30 ф40 ф44 10,5 22 10,5 45 83 ф7,5 ф44 ф25 ф44 1,5 đĩa phân phối đĩa phun sương Hình Miệng phun sương khí ly tâm có rãnh hồi lưu dầu có thêm đường hồi lưu dầu đĩa phân dịng có loại: hồi lưu hồi lưu - Các yêu cầu phối gió thiết bị cháy dầu + Để tránh cho giọt dầu phân hủy nhiệt gốc lửa nhiệt độ cao tác động, cần đưa vào gốc lửa lượng gió gọi gió sơ cấp Tổng lượng gió sơ cấp đưa vào gốc lửa lượng gió trung tâm thơng thường chiếm 15 - 30% tổng lượng gió; + Dịng gió đưa vào cần phải hỗn hợp mạnh với dòng phun sương; thành đốt DO hóa mù vịi dầu Trong q trình sử dụng nhiên liệu DO hóa mù vịi dầu có áp suất từ 0,8 - 1,2 MPa, nhiệt độ 200 oC, đơn vị vận hành thử nghiệm nhận thấy hóa mù khí nén có số ưu điểm bật so với hóa mù dầu như: - Hạn chế rò xì mặt bích, khớp nối nhanh thường xảy rị xì; - Hiệu suất cháy DO cao hơn; - Sử dụng dịng xốy để tạo vùng hồi lưu khói nóng trước miệng vịi phun có kích thước phù hợp để hỗ trợ cho trình bắt lửa cháy (thường kết thúc trình cháy khoảng phút) - Giảm thiểu đáng kể dấu hiệu khói đen cho phần lị hệ thống lọc bụi tĩnh điện; 2.2 Thiết kế hệ thống DO Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng 2.3 Q trình thực chuyển đổi từ hóa mù dầu sang hóa mù dầu khí nén Thiết kế ban đầu hệ thống dầu đốt kèm sử dụng HFO hóa mù vịi dầu chuyển đổi Cơng ty Điện lực Dầu khí Hà Tĩnh tiến hành xây dựng biện pháp thi công cho công tác chuyển đổi từ - Không phải dừng hệ thống lọc bụi trình khởi động lị DẦU KHÍ - SỐ 9/2021 41 CƠNG NGHIỆP ĐIỆN Hình Miệng phun sương khí ly tâm có rãnh hồi lưu dầu ngồi hóa mù dầu sang hóa mù dầu khí nén, cụ thể: 2.3.1 Nguyên tắc cải tiến chuyển đổi hệ thống Để đưa giải pháp công nghệ chuyển đổi hệ thống sử dụng hóa mù sang dùng khí nén hóa mù tối ưu nhất, đảm bảo tính kinh tế, kỹ thuật, nguyên tắc thiết kế hệ thống phải đạt yêu cầu sau: - Đảm bảo an tồn, hiệu kinh tế q trình vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa; - Tận dụng triệt để thiết bị có nhằm giảm chi phí chuyển đổi; - Nguyên lý điều khiển, hệ thống thiết bị đo lường, giám sát điều khiển hệ thống vòi đốt dầu cho tổ máy giữ nguyên, thêm thiết bị đo lường, điều khiển áp suất khí nén 2.3.2 Giải pháp tính tốn chuyển đổi hệ thống - Lưu lượng khí nén cấp đến hệ thống vịi dầu Theo tính tốn cơng thức thực nghiệm lưu lượng khí nén cấp đến vịi dầu sau: Qrr = 1,34 × S × SQRT(DP) Trong đó: Qrr (m3/s): Lưu lượng khí nén rị rỉ; S (m2): Tiết diện khe hở rị rỉ, tính theo cơng thức S = (πD2)/4, với D (m) đường kính tương đương khe hở rò rỉ; SQRT(DP): Căn bậc độ chênh áp khí nén đường ống mơi trường, áp suất tính đơn vị Pascal 1,34 hệ số rị rỉ khí nén (theo đo lường) Từ cơng thức trên, với điều kiện vịi dầu cấp khí hóa mù khơng cấp dầu (khi cấp dầu lưu lượng khí nén hóa mù sẻ giảm lại), tính lưu lượng khí nén cho béc 42 DẦU KHÍ - SỐ 9/2021 phun dầu có lỗ phun khí nén, lỗ có đường kính 2,5 mm áp suất khí nén trì vịi dầu với áp suất tối đa bar vào buồng lửa có áp suất -100 Pa, sau: Qkn = 1,34 × S × SQRT(DP) × = 1,34 × 3,14 × (0,00252)/4 × SQRT(700000 - 101325 + 100) × = 0,0305 m3/s Vậy tổng lưu lượng khí nén cấp đến 24 vịi dầu: Qvd = 24 × 0,0305 = 0,7325 m3/s = 2.637 m3/h - Cơng suất hệ thống khí nén dùng chung + Hệ thống máy nén khí dùng chung gồm có máy nén khí trục vít máy có cơng suất 50%, áp suất đầu 8,6 bar, lưu lượng 70 Nm3/phút = 4.200 Nm3/giờ + Hệ thống vận hành máy liên tục, máy dự phịng nóng, máy dự phịng nguội đáp ứng phụ tải cho tổ máy Theo kết phân tích, tính tốn, để tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu việc sử dụng khí nén dịch vụ cung cấp cho hệ thống hóa mù vịi dầu hồn tồn phù hợp để thay hóa mù 2.3.3 Sơ đồ đấu nối hệ thống (Hình 4) 2.3.4 Phương án bố trí thiết bị - Đường ống dẫn khí nén cụm van cách ly, điều khiển lắp bố trí tầng khu vực cụm van cấp hơi, cấp dầu nối từ đường ống góp cấp khí dịch vụ cho lị vào đường ống cấp hóa mù tại; - Khí nén từ ống góp cấp khí dịch vụ vào đường ống cụm van cách ly, điều khiển lắp sang ống góp cấp hóa mù để cấp khí hóa mù cho vịi dầu (hệ thống hóa mù khơng sử dụng để hóa mù vịi dầu cách lập van cấp (đóng van nguồn cấp vào đường hóa mù) vào đường hóa mù đường hóa mù có khí nén dùng để hóa mù vịi dầu); - Khi chuyển sang sử dụng khí nén thay hóa mù, cần thiết phải lắp đặt đồng hồ đo áp suất khí nén, PETROVIETNAM áp suất dầu đầu vào vịi dầu để dễ dàng cho cơng tác hiệu chỉnh áp suất khí nén cấp vào vịi; - Thay van chiều đường hóa mù đường thơng thổi đến vịi dầu Công tác thử nghiệm đánh giá kết 3.1 Công tác thử nghiệm tiến hành vào ngày dừng máy tháng - 3/2021 So sánh kết thử nghiệm đốt dầu sử dụng hóa mù sử dụng khí nén hóa thể Bảng 3.2 Đánh giá hiệu sử dụng khí nén hóa mù Sau chuyển đổi hóa mù vịi dầu khí nén dịch vụ, giải số tồn như: - Quá trình đốt dùng hóa mù, dầu đốt khơng cháy kiệt nên sinh khói đen Khi chuyển sang dùng khí nén hóa mù, q trình Hình Sơ đồ đấu nối hệ thống đốt lửa cháy sáng, gần khơng cịn khói đen, qua đảm bảo tiêu chuẩn mơi trường q trình khởi động; - Hệ thống hóa mù áp suất, nhiệt độ cao, làm nhanh hỏng loại gioăng (như O-ring, gasket…), dẫn đến nguy gây rị xì hơi, dầu, ảnh hưởng trực tiếp đến an tồn cháy nổ khơng đảm bảo an tồn cho đội cơng tác xử lý rị xì, vệ sinh vịi dầu Trong đó, sử dụng khí nén để hóa mù, thiết bị làm việc mơi trường áp suất, nhiệt độ thấp, giúp kéo dài tuổi thọ cho thiết bị, gây rị xì, hạn chế nguy an tồn tiết giảm chi phí bảo dưỡng sửa chữa thiết bị; - Cơng tác khắc phục rị xì hơi, dầu làm kéo dài thời gian khởi động gây lãng phí dầu Do nhiệt độ thấp chuyển sang dùng khí nén hóa mù vịi dầu nên cơng tác sửa chữa thực dễ dàng, nhanh chóng; - Trong q trình khởi động lị sử dụng hóa mù vịi dầu tiêu tốn lượng tự dùng lớn, nên lò phụ gặp cố mà không đảm bảo lưu lượng tự dùng (trong trường hợp khởi động mà tổ máy cịn lại ngừng) khơng thể trì cháy cho lị Do đó, sử dụng khí nén hóa mù vịi dầu tăng độ tin cậy cho lị chính; Bảng So sánh kết thử nghiệm đốt vòi dầu hóa mù khí nén TT Đặc tính Màu lửa Lưu lượng dầu Hình ảnh lửa Thiết bị Về người Sử dụng hóa mù Ngọn lửa màu vàng nâu có dấu hiệu khói đen Khoảng 1,1 tấn/giờ Sử dụng khí nén hóa mù Ngọn lửa cháy sáng khơng có dấu hiệu khói đen Khoảng 0,8 tấn/giờ Vận hành nhiệt độ cao nên dễ bị hư hỏng thiết bị O-ring, gasket… gây rị xì hơi, dầu, an tồn Vận hành bảo dưỡng khó khăn, an toàn Thường xuyên phải thay O-ring, gasket nhiệt độ, áp suất cao Vận hành nhiệt độ mơi trường nên tuổi thọ thiết bị cao, bị hư hỏng, đảm bảo an toàn Vận hành bảo dưỡng dễ dàng, an toàn nhiệt độ thấp DẦU KHÍ - SỐ 9/2021 43 CƠNG NGHIỆP ĐIỆN 800 734 700 đổi hóa mù DO sang hóa mù DO khí nén khối lượng DO sử dụng cho lần khởi động lại 200 (Hình 5) Thực tế (tấn) Định mức (tấn) 670 600 500 586 552 554 Kết luận 514 492 417 405 400 346 300 295 200 260 203 190 100 S1 S2 S2 S1 S2 S2 S2 S1 S2 S1 S1 S1 S1 S1 1/2019 2/2019 3/2019 5/2019 6/2019 7/2019 9/2019 2/2020 8/2020 9/2020 12/2020 2/2021 3/2021 4/2021 Hình Kết chuyển đổi hóa mù DO sang khí nén vào tháng - 4/2021 - Khi sử dụng khí nén hóa mù thay hóa mù, ngồi nhiệm vụ hóa mù, khí nén cịn cung cấp lượng oxy cho q trình cháy, nâng cao hiệu suất đốt DO; - Giảm thiểu nguy hư hỏng thiết bị đuôi lị sấy khơng khí, hệ thống lọc bụi tĩnh điện 3.3 Kết thực Sau tiếp quản từ nhà thầu EPC, Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng liên tục cải tiến kỹ thuật: rà sốt lại quy trình vận hành nhà chế tạo cung cấp, tiến hành thí nghiệm hiệu chỉnh, xây dựng ma trận khởi động, áp dụng thử nghiệm công nghệ mới… Kết cho thấy, khối lượng DO sử dụng tiết kiệm Đặc biệt, triển khai giải pháp chuyển Việc áp dụng giải pháp hóa mù DO khí nén Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng giúp giảm giá thành sản xuất điện, gia tăng doanh thu lợi nhuận cho Công ty CP Điện lực Dầu khí Hà Tĩnh thị trường điện cạnh tranh Kết khối lượng DO sử dụng giảm xuống 200 tấn/lần khởi động, giảm khoảng 300 tấn/lần so với cách làm trước Giải pháp giúp giảm phát thải nhà kính theo định hướng tăng cường hiệu suất để giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường Tài liệu tham khảo [1] Safe Fire, "MB-1S oil igniter user manual" [2] SH1-DHI-P1HJA-GE-M01-CTP-8201, "Commissioning procedure for inital oil firing" [3] SH1-DHI-P1HJN-M-M01-PID-1021, "Boiler P&ID for atomazing air system" A STUDY ON AIR ATOMISATION FOR THE DIESEL OIL SYSTEM OF VUNG ANG THERMAL POWER PLANT Nguyen Van Minh, Tran Quynh, Ha Huy Hoang, Mai Van Long, Nguyen Quoc Huong, Pham Viet Hung, Nguyen Huu Hung Petrovietnam Power Corporation Email: nguyenquochuong@pvpower.vn Summary At coal-fired thermal power plants, diesel oil (DO) is used during the startup/shutdown of the unit or in case of unstable combustion mode Each restart of the boiler consumes more than 500 tons of DO, equivalent to VND 12 billion To lower power production costs and maximise profits, the Operational Unit of Vung Ang Thermal Power Plant, Petrovietnam Power Corporation have studied to apply air atomisation instead of the traditional steam atomisation for DO burners The obtained result shows that the new method helps reduce DO consumption to less than 200 tons/start-up, contributing to lower production costs, maximise profits and especially to increase competitiveness in the electricity market Key words: Oil atomising, oil burner, compressed air, oil combustion, Vung Ang Thermal Power Plan 44 DẦU KHÍ - SỐ 9/2021 ... cấp khí hóa mù cho vịi dầu (hệ thống hóa mù khơng sử dụng để hóa mù vịi dầu cách lập van cấp (đóng van nguồn cấp vào đường hóa mù) vào đường hóa mù đường hóa mù có khí nén dùng để hóa mù vịi dầu) ;... 514 492 417 405 400 346 300 295 200 260 203 19 0 10 0 S1 S2 S2 S1 S2 S2 S2 S1 S2 S1 S1 S1 S1 S1 1/ 2 019 2/2 019 3/2 019 5/2 019 6/2 019 7/2 019 9/2 019 2/2020 8/2020 9/2020 12 /2020 2/20 21 3/20 21 4/20 21. .. máy Nhiệt điện Vũng Áng 2.3 Q trình thực chuyển đổi từ hóa mù dầu sang hóa mù dầu khí nén Thiết kế ban đầu hệ thống dầu đốt kèm sử dụng HFO hóa mù vịi dầu chuyển đổi Cơng ty Điện lực Dầu khí Hà