dung mụi hữu cơ (ORC)
Chu trỡnh Rankine dung mụi hữu cơ là chu trỡnh sử dụng mụi chất hữu cơ cú khối lượng phõn tử cao với quỏ trỡnh chuyển pha lỏng - hơi hoặc nhiệt độ sụi diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn so với sự chuyển pha nước - hơi. Mụi chất này cho phộp chu trỡnh Rankine tận dụng nhiệt từ nguồn nhiệt độ thấp hơn như nhiệt thải cụng nghiệp, địa nhiệt... Dũng nhiệt với nhiệt độ thấp được tận dụng cho cỏc cụng việc hữu ớch như chuyển hoỏ thành điện năng. Nguyờn mẫu đầu tiờn của chu trỡnh Rankine dung mụi hữu cơ được phỏt triển và trỡnh diễn từ năm 1961.
33
Chu trỡnh 1: Dầu tải nhiệt nhận nhiệt từ nguồn nhiệt thải nhờ thiết bị trao đổi nhiệt được dẫn tới thiết bị bốc hơi. Tại thiết bị bốc hơi dầu tải nhiệt gia nhiệt cho mụi chất làm việc chuyển mụi chất làm việc sang pha hơi. Sau đú dầu tải nhiệt lại được cấp trở lại thiết bị trao đổi nhiệt nhờ bơm cấp tạo thành chu trỡnh khộp kớn.
Chu trỡnh 2: Tại thiết bị bốc hơi mụi chất làm việc nhận nhiệt của dầu tải nhiệt chuyển sang pha hơi. Hơi này được đưa tới tuabin, gión nở sinh cụng làm quay tuabin; và tuabin kộo mỏy phỏt điện chuyển cơ năng thành điện năng. Sau đú mụi chất làm việc được ngưng tụ về pha lỏng nhờ thiết bị ngưng tụ (làm mỏt bằng khụng khớ) rồi được bơm cấp cấp trở lại thiết bị bốc hơi tạo thành chu trỡnh khộp kớn.
Những nhà mỏy điện ứng dụng chu trỡnh Rankine dung mụi hữu cơ đó được sử dụng trờn 30 năm, nhằm sản xuất điện năng từ cỏc nguồn nhiệt khỏc nhau khi mà cỏc cụng nghệ tại thời điểm đú khụng khả thi hoặc khụng kinh tế. Những nhà mỏy điện cú cụng suất từ 300kW tới 130MW đó chứng minh tớnh hữu hiệu của cụng nghệ này. Chu trỡnh này rất phự hợp với những nguồn nhiệt cú nhiệt độ thấp, như nhiệt thải từ cỏc nhà mỏy cụng nghiệp và đó được sử dụng rộng rói trong việc sản xuất điện. Cú tới trờn 750MW điện được sản xuất ra theo cụng nghệ này từ những nguồn địa nhiệt, năng lượng mặt trời và nhiệt thải. Tuy nhiờn, dung mụi hữu cơ là một chất dễ chỏy nổ và độc hại nờn đũi hỏi chế tạo với tiờu chuẩn an toàn cao; chi phớ cho bảo trỡ, vận hành rất cao và phức tạp, nguy hiểm. Nờn cụng nghệ ORC tuy đó được ỏp dụng ở một vài nhà mỏy xi măng nhưng khụng phổ biến.
Những ưu điểm của nhà mỏy điện sử dụng cụng nghệ theo chu trỡnh Rankine kộp: - Lắp đặt dễ dàng, thuận tiện.
- Vận hành tự động
- Làm mỏt bỡnh ngưng bằng khụng khớ, khụng cần đến nước - Sản xuất điện thõn thiện với mụi trường
34
Hỡnh 2.3: Sơ đồ nguyờn lý cơ bản của NM phỏt điện tận dụng nhiệt thải theo chu trỡnh Rankine dung mụi hữu cơ
35
So sỏnh cụng nghệ giữa chu trỡnh
Rankine hơi nƣớc truyền thống (RC) và Rankine dung mụi hữu cơ (ORC)
TT Chỉ tiờu Chu trỡnh Rankine hơi nƣớc truyền thống (RC)
Chu trỡnh Rankine dung mụi hữu cơ (ORC)
1 Cụng nghệ Cụng nghệ truyền thống đó được ỏp dụng rất lõu và rất phỏt triển; đó cú nhiều kinh nghiệm, độ tin cậy vận hành cao.
Trong lĩnh vực tận dụng nhiệt thải từ NM xi măng, cụng nghệ này đó được kiểm chứng ở rất nhiều quốc gia trờn thế giới. Tại VN đó xõy dựng thành cụng 03 trạm phỏt điện tận dụng nhiệt khớ thải xi măng theo cụng nghệ này.
Cụng nghệ tiờn tiến. Rất phự hợp trong lĩnh vực phỏt điện tận dụng nguồn nhiệt cú nhiệt độ thấp.
Kinh nghiệm vận hành và chế tạo cũn chưa nhiều. Trờn thế giới cú rất ớt nhà mỏy xi măng ỏp dụng cụng nghệ này để phỏt điện tận dụng nhiệt thải. Tại VN chưa cú NM tận dụng nhiệt thải nào ỏp dụng cụng nghệ này. 2 Mụi chất làm việc Nước. Sẵn cú, rẻ tiền
Dung mụi hữu cơ, dầu tải nhiệt Giỏ thành cao 3 Nhiờn liệu đốt kốm Khụng Khụng 4 Làm mỏt bỡnh ngưng Bằng nước Bằng khụng khớ
36
5 Khả năng tận dụng nguồn nhiệt thải
Thấp hơn Cao hơn
6 Tua bin Tốc độ quay: 3000 v/phỳt Tỏc nhõn làm quay tua bin: hơi nước
Tua bin và đường ống cú kớch thước lớn hơn
Tốc độ quay: 1500ữ1800 v/phỳt.
Tỏc nhõn làm quay tua bin: dung mụi hữu cơ.
Tua bin và đường ống cú kớch thước nhỏ hơn. 7 Cụng suất điện tự dựng
10% tổng lượng điện sản xuất ra 10 % tổng lượng điện sản xuất ra 8 Hiệu suất chu trỡnh
Thấp hơn Cao hơn
9 Điều kiện làm việc
Trong nhà Tua bin và mỏy phỏt được thiết kế để lắp đặt ngoài trời, thậm chớ cả những khu vực cú thời tiết khắc nghiệt
10
Chi phớ vận hành - bảo dưỡng
Thấp hơn Cao hơn
11
Chi phớ đầu
37
2.5 Kết luận
Cụng nghờ phỏt điện theo chu trỡnh Rankine dung mụi hữu cơ ra đời sau, suất đầu tư cho một MW là cao hơn so với phương ỏn sử dụng hơi nước do cỏc thiết bị trong cụng nghệ dung mụi chủ yếu được nhập khẩu từ cỏc nước EU, G7, Isarel...
Cụng nghệ phỏt điện tận dụng nhiệt khớ thải theo chu trỡnh Rankine hơi nước truyền thống là một cụng nghệ lõu đời, đó được kiểm chứng với độ tin cậy cao và được nhiều nhà mỏy xi măng trờn thế giới sử dụng.
Cụng nghờ phỏt điện vận hành theo chu trỡnh Rankine dung mụi hữu cơ cú cụng nghệ hiện đại hơn, hiệu suất tận dụng nguồn nhiệt thải cao hơn so với nhà mỏy điện vận hành theo chu trỡnh Rankine hơi nước truyền thống. Tuy nhiờn, việc ỏp dụng cụng nghệ này vẫn cũn nhiều hạn chế như: Chi phớ đầu tư cao hơn, chưa được ứng dụng rộng rói trong cụng nghiệp xi măng trờn thế giới cũng như ở Việt Nam vỡ vậy kinh nghiệm vận hành chưa nhiều, mức độ an toàn trong vận hành, độ tin cậy và tớnh ổn định của hệ thống chưa được kiểm chứng.
Trờn cơ sở phõn tớch những ưu điểm của cụng nghệ theo chu trỡnh Rankine hơi nước truyền thống và Rankine dung mụi hữu cơ ở trờn, trong luận văn này em sẽ lựa chọn cụng nghệ theo chu trỡnh Rankine hơi nước truyền thống làm cơ sở để thực hiện đề tài.
38
Chƣơng 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LƢỜNG ĐIỀU KHIỂN CHO TRẠM PHÁT ĐIỆN TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI
NHÀ MÁY XI MĂNG TAM ĐIỆP
3.1 Giới thiệu sơ lƣợc về Nhà mỏy xi măng Tam Điệp và mụ tả dõy chuyền cụng nghệ trạm phỏt điện tận dụng nhiệt khớ thải.
3.1.1 Giới thiệu sơ lƣợc về Nhà mỏy xi măng Tam Điệp
Cụng ty TNHH MTV Xi măng Vicem Tam Điệp ngày nay, tiền thõn là Cụng ty xi măng Ninh Bỡnh được thành lập theo quyết định số 506/QDD-UB ngày 31/05/1995 của Chủ tịch UBND tỉnh Ninh Bỡnh và được Thủ Tướng Chớnh Phủ ký Quyết định số 97/TTg ngày 09/02/1996 về việc phờ duyệt dự ỏn đầu tư xõy dựng Nhà mỏy Xi măng Tam Điệp - Ninh Bỡnh cú cụng xuất 1,4 triệu tấn Cliker/năm. Ngày 19/5/2001 Dự ỏn chớnh thức được khởi cụng xõy dựng lại tại Xó Quang Sơn, Thị xó Tam Điệp, tỉnh Ninh Bỡnh.
Đến ngày 18/6/2001 Thủ tướng Chớnh phủ cú cụng văn chỉ đạo 542/CP-CN về việc chuyển nhiệm vụ quản lý trực tiếp dự ỏn Xi măng Tam Điệp Tỉnh Ninh Bỡnh về Tổng Cụng ty Xi măng Việt Nam và UBND Tỉnh Ninh Bỡnh đó cú Quyết định số 1234/QĐ-UB ngày 21/6/2001 chuyển giao nguyờn trạng Cụng ty Xi măng Ninh Bỡnh về Tổng cụng ty xi măng Việt Nam từ ngày 15/7/2001.
Nhà mỏy Xi măng Tam Điệp được xõy dựng với dõy chuyền sản xuất xi măng tiờn tiến và hiện đại của hóng F.LSmidth (Đan Mạch) cú hệ thống tự động hoỏ và ứng dụng cụng nghệ thụng tin ở mức cao từ khõu phối liệu nung Clinker đến cụng đoạn nghiền xi măng và hệ thống đúng bao tự động. Tất cả cỏc cụng đoạn thuộc quỏ trỡnh sản xuất được vận hành và giỏm sỏt từ phũng điều khiển trung tõm thụng qua mạng lưới xử lý vi tớnh hiện đại nhằm đưa ra sản phẩm xi măng chất lượng cao.
3.1.2 Mụ tả dõy chuyền cụng nghệ trạm phỏt điện tận dụng nhiệt khớ thải
39
Hỡnh 3.1: Sơ đồ khối của trạm phỏt điện tận dụng nhiệt khớ thải
Theo sơ đồ cụng nghệ trạm phỏt điện tận dụng nhiệt khớ thải Nhà mỏy xi măng Tam Điệp thỡ cỏc dũng khớ núng được thu hồi đưa vào cỏc lũ hơi để gia nhiệt cho mụi chất bốc hơi và sản suất điện, đú là:
- Nguồn khớ thải lũ sau thỏp trao đổi nhiệt trước khi vào thỏp điều hoà. Dũng khớ núng sau khi ra khỏi thỏp trao đổi nhiệt với nhiệt độ khoảng 3600C, khụng đi qua thỏp điều hoà mà được chuyển hướng qua van rẽ nhỏnh và được dẫn đến một hệ thống lũ hơi PH.
- Nguồn khớ thải từ cụng đoạn làm nguội clinker (trớch từ cooler). Dũng khớ thải từ cooler cú nhiệt độ khoảng 3600C trước khi đến bộ lọc bụi tĩnh điện được dẫn qua kột lắng sơ bộ và lũ hơi AQC.
40
Cấu trỳc của cỏc lũ hơi tận dụng nhiệt PH bao gồm: - Dàn ống sinh hơi
- Bộ quỏ nhiệt
Cấu trỳc của cỏc lũ hơi tận dụng nhiệt AQC bao gồm: - Bộ hõm nước
- Dàn ống sinh hơi - Bộ quỏ nhiệt
Nước cấp được bơm cấp đưa đến cỏc bộ hõm nước đặt tại cỏc lũ hơi tận dụng nhiệt AQC. Lượng nước này nhận nhiệt từ dũng khớ núng chuyển húa thành nước núng và hơi quỏ nhiệt. Phần nước núng ra khỏi bộ hõm nước của cỏc lũ hơi được đưa tới ống gúp chung. Từ đõy phần lớn nước núng cấp tới bao hơi của cỏc lũ hơi PH, AQC, phần cũn lại được cấp đến thiết bị bốc hơi Flasher. Phần nước cấp tới bao hơi của cỏc lũ hơi tiếp tục nhận nhiệt của dũng khớ núng chuyển pha thành hơi bóo hũa rồi hơi quỏ nhiệt. Sau khi ra khỏi bộ quỏ nhiệt, cỏc dũng hơi quỏ nhiệt cú thụng số hơi giống nhau được hỗn hợp với nhau tại ống gúp hơi rồi đưa đến tuabin hơi và chuyển thành cụng năng, truyền động mỏy phỏt điện, sinh ra điện năng. Phần nước cấp tới thiết bị bốc hơi Flasher sẽ bị phõn ly thành hơi bóo hoà và nước ngưng. Hơi bóo hoà được cấp bổ xung vào tuabin, gión nở sinh cụng làm quay tuabin. Phần nước ngưng trong Flasher sẽ được cấp tới bỡnh ngưng phụ nhằm gia nhiệt cho nước ngưng.
42
3.2 Túm tắt cụng nghệ sản xuất xi măng và và thụng số kỹ thuật của một số thiết bị chớnh trong dõy chuyền cú liờn quan
3.2.1 Túm tắt cụng nghệ sản xuất xi măng
Dõy chuyền cụng nghệ sản xuất xi măng Nhà mỏy xi măng Tam Điệp cú cụng suất thiết kế là 4000 tấn clinker/ngày với cụng nghệ sản xuất theo phương phỏp khụ, hệ thống lũ quay 3 bệ với thỏp trao đổi nhiệt 2 nhỏnh 5 tầng cú buồng phõn huỷ. Thiết bị làm lạnh clinker kiểu ghi Coolax cooler. Cỏc hệ thống mỏy nghiền như sau: - Hệ thống nghiền liệu sử dụng mỏy nghiền đứng với năng suất thiết kế là 320 t/h, sử dụng nguồn khớ núng từ sau thỏp điều hoà để sấy liệu.
- Hệ thống nghiền than sử dụng mỏy nghiền đứng với năng suất thiết kế là 30 t/h, sử dụng nguồn khớ núng sau lọc bụi điện mỏy làm lạnh clinker để sấy than.
- Hệ thống nghiền xi măng sử dụng mỏy nghiền bi cú hệ thống nghiền sơ bộ CKP với năng suất thiết kế hệ thống là 240 t/h.
Bảng 3.3: Cõn bằng khớ của dõy chuyền sản xuất theo thiết kế của nhà thầu F.L.Smidth TT Vị trớ, cụng đoạn Áp suất mmH2O Nhiệt độ o C Lưu lượng Nm3/h I Nghiền liệu và lũ
Mỏy nghiền liệu dừng
1 Trước thỏp điều hoà khớ thải -546 360 251.000
2 Trước lọc bụi điện lũ quay -40 152 288.000
Mỏy nghiền liệu làm việc
1 Trước thỏp điều hoà khớ thải -546 360 251.000
43
3 Trước quạt nghiền liệu -783 88 470.000
4 Trước lọc bụi điện lũ quay -50 92 363.000
II Thiết bị làm lạnh ghi
1 Khụng khớ làm lạnh 25 335000
2 Giú 3 900 92.000
3 Khớ thải đến lọc bụi làm lạnh ghi 360 129.000
III Mỏy nghiền than
1 Khớ núng sau lọc bụi điện làm lạnh ghi
-40 262 56.000
2 Trước mỏy nghiền than -50 194 89.000
3 Trước lọc bụi nghiền than -737 93 116.000
3.2.2 Thụng số kỹ thuật của một số thiết bị chớnh trong dõy chuyền cú liờn quan
- Quạt thỏp trao đổi nhiệt:
Lưu lượng (danh định/max) : 156/177.2 m3/s Nhiệt độ khớ (danh định/max) : 346/385 0C
Áp suất : 614/850 mmH2O
Cụng suất tiờu thụ : 2223 kW
- Thiết bị làm lạnh kiểu ghi
Kiểu : Coolax Grate Cooler - 128C-3HY-
EX
Năng suất : 4.000 t/ngày
44
Diện tớch ghi danh định : 98.6 m2 Hiệu suất thu hồi nhiệt thiết kế : 73% Tiờu hao cụng suất của quạt làm lạnh : 5,1 kWh/t Tiờu hao khớ làm lạnh theo thiết kế : 6.106 m3/ph Lưu lượng khớ làm lạnh thiết kế : 7.331 m3/ph - Lọc bụi của thiết bị làm lạnh ghi
Nhiệt độ làm việc: 2620C
Nồng độ bụi vào lọc bụi: 13 g/m3 Tốc độ khớ qua lọc bụi: 0,7 m/s
Thời gian lưu: 12,0 s
Diện tớch lắng riờng: 60,1 m2/m3/s
Tổn thất ỏp suất: 20 mmH2O
Tiết diện ngang hiệu dụng: 168 m2
Số trường cơ: 01
Số trường điện: 02
Nồng độ bụi trong khớ thải: 50 mg/Nm3 - Quạt lọc bụi làm lạnh ghi
Lưu lượng (danh định/max.): 107 /155.8 m3/s Áp suất (danh định/max.): 100 /168 mmH2O
45
3.3 Tớnh toỏn cụng suất phỏt của trạm phỏt điện tận dụng nhiệt khớ thải Nhà mỏy xi măng Tam Điệp
Cỏc thụng số tớnh toỏn
- Nước sau khử khớ (cấp vào bộ hõm): tkk = 56,40C; i’kk = 236,29 kJ/kg
- Nước cấp (ra khỏi bộ hõm): tnc = 1640C; i’nc = 693 kJ/kg
- Bao hơi: pbh = 8,8 bar; i”bh = 2771,4 kJ/kg; i’bh = 738,1 kJ/kg
- Hơi quỏ nhiệt ra khỏi lũ hơi: tqn = 3300C; pqn = 7,9 bar; i”qn = 3119.35 kJ/kg
- Cỏc thụng số về khớ núng vào lũ hơi:
Bảng 3.4: Cỏc thụng số về khớ núng vào lũ hơi
Cỏc thụng số PH AQC
Lưu lượng dũng khớ núng (Nm3/h) 251,000 129,000 Nhiệt độ đầu vào: t1 (oC) 360 360
Nhiệt độ đầu ra: t2 (oC) 230 90
Cõn bằng nhiệt lũ hơi PH:
- Lượng nhiệt do khớ núng thải ra:
QPH = x GPH x CP PH x (tPH-1 - tPH-2) = 46 456 x 103 kJ/h
- Lượng nhiệt do lũ PH nhận được là:
QPH = DPH(i”qn - i’nc) + DxPH(i’bh - i’nc) Trong đú: DxPH là lượng nước xả lũ, chọn DxPH = 0.02DPH - Cõn bằng chất: PH GPH, tPH-1 pqn tqn i”qn DncPH tnc i’nc GPH, tPH-2 DPH i’bh DxPH
46 DncPH = DPH + DxPH
Cõn bằng nhiệt lũ hơi AQC:
- Lượng nhiệt do khớ núng thải ra:
QAQC = x GAQC x CP AQC x (tAQC-1 - tAQC-2) = 45 535 x 103 kJ/h
- Lượng nhiệt do lũ AQC nhận được là: QAQC = Dkk(i’nc - i’kk) + DAQC(i”qn - i’nc) +
Dx AQC(i’bh - i’nc)
- Cõn bằng chất:
Dkk = DAQC + Dx AQC + Dnc PH + DncF Trong đú:
Dx AQC: là lượng nước xả lũ, chọn Dx AQC = 0.02 DAQC
DncF: lưu lượng nước cấp từ lũ AQC cho thiết bị bốc hơi, chọn: DncF = 0,3(DAQC + DPH)
Thay số vào ta cú:
- Lưu lượng hơi quỏ nhiệt lũ PH: DPH = 19,14 T/h
- Lưu lượng hơi quỏ nhiệt lũ AQC: DAQC = 11,22 T/h
- Tổng lưu lượng hơi quỏ nhiệt của cỏc lũ hơi: Dqn = DPH + DAQC= 19,14 + 11,22 = 30,36 T/h AQC GAQC, tAQC-1