Một nhà máy nhiệt điện đốt sinh khối để phát điện, nhà máy nhiệt điện Šiauliai ở Litva

Nhà máy nhiệt điện (tiếng Anh Thernal Energy Power plant) là nhà máy chuyển hóa năng lượng nhiệt thành điện thương mại.

Trong nhà máy nhiệt điện, lò hơi là thiết bị hấp thụ lượng nhiệt sinh ra khi cháy các loại nhiên liệu để sản xuất ra hơi nước làm môi chất động lực trong chu trình nhiệt, làm quay tuabin hơi, máy phát để sản xuất điện. Lò hơi là thiết bị quan trọng nhất, lớn nhất và phức tạp nhất ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hoạt động, đến vốn đầu tư và các vấn đề an toàn khác của toàn nhà máy nhiệt điện.

Nhà máy nhiệt điện, các thiết bị và sơ đồ công nghệ của nó phải thỏa mãn hàng loạt các yêu cầu về kinh tế kĩ thuật như sau:

• Đảm bảo cung cấp điện năng cho các hộ tiêu dùng một cách tin cậy và liên tục. Các chỉ tiêu chất lượng của điện năng (tần số, điện áp dòng điện) phải đúng các tiêu chuẩn quy định
• Đảm bảo an toàn vô điều kiện đối với người lao động và môi trường xung quanh kể cả vấn đề phòng chống hỏa hoạn. Bầu không khí xung quanh nhà máy không bị ô nhiễm bởi các chất độc hại do nhà máy thải ra như: bụi tro, SO₂, NO_x, vân vân, bằng các giải pháp công nghệ thích hợp.
  • Đối với nhà máy điện hạt nhân còn có thêm phòng chống ô nhiễm phóng xạ, phòng chống các sự cố và bảo vệ sinh thái.
• Nguồn cung cấp nước (sông, hồ, ...) phải được bảo vệ không bị ô nhiễm bởi các chất thải. Nước thải phải được xử lí đạt tiêu chuẩn trước khi thải ra môi trường
• Phải áp dụng sơ đồ công nghệ khép kín không có chất phát thải đối với quá trình xử lí nước bổ sung và tro xỉ.
• Các yêu cầu về kinh tế gồm có giảm vốn đầu tư ban đầu, giảm chi phí vận hành. Muốn làm được điều này, cần phải hợp lí hóa trong các khâu thiết kế nhà máy, tối ưu hóa các khâu xây dựng, lắp đặt nhà máy. Một trong những yêu cầu quan trọng nhất đối với kinh tế là giảm tiêu tiêu hao nhiên liệu.
• Hiệu quả kinh tế nhiệt của nhà máy nhiệt điện phải cao nhất, các chỉ tiêu năng lượng của nó không được thấp hơn chỉ tiêu của các nhà máy trên thế giới.

Nhà máy nhiệt điện đốt than

Một nhà máy nhiệt điện đốt than để phát điện, nhà máy nhiệt điện Asnæs ở Đan Mạch. Nhà máy đặt cạnh sông để hỗ trợ vận chuyển than, đồng thời có nguồn cấp và xả nước làm mát từ sông.

Nhà máy nhiệt điện đốt than (tiếng Anh Coal firing Thermopower plant) là một loại nhà máy nhiệt điện điển hình.

Hiện nay, thị trường lớn nhất cho than chất lượng thấp là dành cho phát điện; loại than này được khai thác cho đến khi các mỏ than cạn kiệt. Phát điện sử dụng than chất lượng thấp đã được thực hiện trong ba loại của các nhà máy điện đốt than, cụ thể là nhà máy điện đốt than phun (PCC), nhà máy đốt than kiểu tầng sôi (CFBC), và nhà máy khí hóa tích hợp nhà máy điện chu trình hỗn hợp (IGCC). Nhà máy điện đốt than phun PCC đã được vận hành dùng than để phát điện trên toàn thế giới trong hơn 75 năm và nguồn cung cấp chủ lực, cốt lõi của hệ thống điện ở nhiều nước.

Trong các nhà máy PCC, than đá được nghiền thành bột mịn và sau đó phun vào buồng lửa tham gia quá trình đốt cháy cùng không khí thông qua một loạt các vòi phun (Burners). Các vòi phun có thể được đặt trên tường trước, hai tường bên đối diện, hoặc bố trí để tạo thành vòng tiếp tuyến trong buồng lửa hoặc đặt ở 4 góc. Quá trình cháy diễn ra ở nhiệt độ từ 1300 °C ~ 1700 °C và gần áp suất khí quyển. Thời gian lưu lại của hạt bột than trong buồng lửa lò hơi thông thường là 2-5 s. Nhiệt phát ra trong quá cháy nhiên liệu được hấp thụ bởi nước chảy trong dàn ống sinh hơi bố trí xung quanh buồng lửa hơi để tạo thành hơi nước với thông số hơi nhất định và sau đó đi vào tuabin hơi nước để chuyển đổi nhiệt năng thành công năng và tạo ra điện (chu trình Rankine). Quá nhiệt hơi và quá nhiệt trung gian (hối nhiệt) (reheaters) thường được sử dụng thu hồi nhiệt từ khói thải nóng để tăng hiệu quả chu kỳ nhiệt.

Lò hơi PCC được thiết kế, chế tạo để phù hợp với các yêu cầu tuabin hơi nước, với công suất đầu ra vào khoảng 50 đến 1300 MWe. Tổ Lò hơi PCC gần đây nhất được đánh giá cao là những tổ lò hơi có công suất lớn hơn 300 MW do xét đến khả năng của tuabin hơi (cũng tận dụng lợi thế của các hiệu suất các tổ máy lớn).

Lò hơi PCC có thể được phân loại thành ba loại: dưới tới hạn, siêu tới hạn và cực siêu tới hạn, tùy thuộc vào các điều kiện hơi nước vào tuabin hơi. Sự khác biệt lớn trong điều kiện hơi nước và các dự liệu yêu cầu giữa công nghệ dưới tới hạn, siêu tới hạn và cực siêu tới hạn PCC như sau:

• Dưới tới hạn: thông thường, các các tổ lò hơi dưới tới hạn tạo ra hơi nước với điều kiện là 16,5MPa/538°C/538°C (hơi quá nhiệt áp suất / nhiệt độ / nhiệt độ quá nhiệt trung gian) (Kitto và Stultz, 2005) với hiệu suất trung bình lớn hơn các nhà máy dưới tới hạn đốt than chất lượng tốt trong khoảng 35-36% (LHV cơ sở), trong khi đó các tổ lò hơi cũ hoặc nhỏ hơn đốt than kém chất lượng có thể thấp nhất là 30% LHV (Kitto và Stultz, 2005 ).
• Siêu tới hạn: các thông số hơi của lò hơi siêu tới hạn là 24,1MPa/566°C/593°C, sẽ cho ra hiệu suất chu trình cao hơn.
• Cực siêu tới hạn: thông số hơi nước theo thứ tự của 29,6MPa/579C°C/599°C và 25,0MPa/600°C/610°C đã được sử dụng ở các tổ máy cực siêu tới hạn (Kitto và Stultz, 2005). Các tổ máy PCC cực siêu tới hạn thường làm viêc ở nhiệt độ đầu ra của hơi quá nhiệt (hơi mới) khoảng 600°C. Thông số hơi nước cao hơn làm cho hiệu suất chu trình của nhà máy cao hơn.

Ở Việt Nam định hướng khai thác tối đa nguồn than trong nước cho phát triển các nhà máy nhiệt điện, ưu tiên sử dụng than trong nuớc cho các nhà máy nhiệt điện khu vực miền Bắc. Đến năm 2020, tổng công suất nhiệt điện đốt than khoảng 36.000MW, sản xuất khoảng 156 tỷ kWh (chiếm tỷ trọng 46,8% sản lượng điện sản xuất), tiêu thụ 67,3 triệu tấn than/ năm. Đến năm 2030 , tổng công suất nhiệt điện đốt than khoảng 75.000MW, sản xuất khoảng 394 tỷ kWh (chiếm tỷ trọng 56,4% sản lượng điện sản xuất), tiêu thụ 171 triệu tấn than. Do nguồn than sản xuất trong nước hạn chế, nhiều nhà máy nhiệt điện sử dụng than nhập từ năm 2015.

Một vài sơ đồ

Sơ đồ công nghệ của nhà máy nhiệt điện đốt than phun (PCC):

Sơ đồ một số thành phần chính của một nhà máy nhiệt điện đốt than phun (PCC): (1) tháp làm mát, (2) bơm nước làm mát, (3) đường điện (3 pha), (4) biến thế (3 pha), (5) máy phát điện (3 pha), (6) tuabin hạ áp, (7) bơm nước ngưng, (8) bình ngưng, (9) tuabin trung áp, (10) van hơi, (11) tuabin cao áp, (12) bộ loại khí, (13) bình gia nhiệt, (14) băng chuyền than, (15) hứng than, (16) hệ phun bột than, (17) nồi hơi, (18) hệ thải xỉ, (19) giàn quá nhiệt, (20) quạt gió, (21) hối nhiệt, (22) đường cấp khí, (23) bộ trao đổi nhiệt, (24) gia nhiệt cấp khí, (25) bộ khử bụi, (26) quạt khói, (27) ống khói, (28) bơm nước cấp; (Q) nhiệt lượng tỏa ra từ nhiên liệu, tiêu thụ bởi nhà máy, (D) phụ tải hơi của lò hơi, (D₀) tiêu hao nhiệt hơi cho tuabin, (D_L) tổn thất nhiệt hơi trên đường ống, (D_K) nhiệt lượng của hơi đưa vào bình ngưng, (E) điện năng sản xuất được, (E₀) điện năng cung cấp cho các hộ tiêu dùng (thấp hơn E, một phần do trích lại cho nhà máy điện tự dùng, để vận hành các bơm và các hệ thống khác), (Q_K) tổn thất nhiệt làm mát bình ngưng.

Sơ đồ nhiệt của nhà máy nhiệt điện ngưng hơi đơn giản nhất:

Sơ đồ nhiệt của nhà máy nhiệt điện ngưng hơi đơn giản nhất, theo chu trình Clausius-Rankine: (K) lò hơi, (h) giàn quá nhiệt, (TP) tuabin, (G) máy phát điện, (S) bình ngưng, (P) bơm nước (gồm nước cấp và nước ngưng, theo vòng tuần hoàn kín)

Ví dụ về một sơ đồ nhiệt của một nhà máy điện theo công nghệ PCC, nhà máy điện Staudinger ở Đức:

Sơ đồ nhiệt của nhà máy điện Staudinger ở Đức

Sơ đồ công nghệ của nhà máy khí hóa tích hợp nhà máy điện chu trình hỗn hợp (IGCC):

Sơ đồ một số thành phần chính của một nhà máy khí hóa tích hợp nhà máy điện chu trình hỗn hợp (IGCC)

Tài liệu tham khảo

• Trần Thanh Kỳ, Giáo trình Nhà máy Nhiệt điện, NXB Trường Đại học Bách khoa TPHCM, 1998.
• Đỗ Văn Thắng, Giáo trình Vận hành Thiết bị lò hơi và Tuabin của nhà máy Nhiệt điện, NXB Giáo dục, 2008.
• Trương Duy Nghĩa và Nguyễn Sĩ Mão, Giáo trình thiết bị lò hơi nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật, 1974-1986.
• Phùng Tuấn Khải, Thẩm Ấu Dình, Nguyên lí và thiết kế lò hơi (tiếng Trung Quốc), NXB Khoa học và Kĩ thuật TQ-Bắc Kinh, 1992.