NHÀ MÁY ĐIỆN KHÍ

Chu Trình Hỗn Hợp

GIỚI THIỆU

1. Định nghĩa

Nhà máy điện khí chu trình hỗn hợp (Combined Cycle Power Plant) sử dụng cả turbine khí và turbine hơi nước để sản xuất điện. Sự kết hợp này giúp tăng hiệu suất so với việc sử dụng từng loại turbine riêng lẻ. Các phương án kết hợp phổ biến bao gồm: thiết bị hỗn hợp khí-hơi với lò hơi có buồng đốt cao áp, thiết bị xả khí ra khỏi turbine vào buồng đốt lò hơi, thiết bị có bộ hâm nước cho lò hơi bằng khí thải của turbine, và lò hơi tận dụng nhiệt khí thải. Phương thức cuối cùng là phổ biến nhất hiện nay.

Nhà máy điện khí chu trình hỗn hợp sử dụng turbine khí có hiệu suất cao, nhưng khí thải vẫn còn nhiệt độ lớn. Việc tái sử dụng nhiệt này trong lò hơi thu hồi nhiệt giúp sinh thêm năng lượng, giảm nhiệt thất thoát và cải thiện hiệu suất năng lượng so với các phương thức phát điện truyền thống khác.

Một nhà máy điện khí hỗn hợp đang hoạt động (nguồn: Internet)

2. Nguyên lý hoạt động

Nhà máy điện khí chu trình hỗn hợp hoạt động theo các bước sau:

Sơ đồ nguyên lý nhà máy điện tua-bin khí chu trình hỗn hợp

Bước 1: Máy nén nén không khí đến áp suất cao và thổi vào buồng đốt.

Bước 2: Khí tự nhiên hoặc dầu được phun vào buồng đốt cùng với không khí, tạo ra hỗn hợp cháy có nhiệt độ cao và áp suất tăng. Chỉ 20-40% lượng không khí cấp vào tham gia vào quá trình cháy. 60-80% lượng không khí còn lại được bổ sung vào dòng khí nóng sau vùng cháy để giảm nhiệt độ trước khi vào turbine.

Bước 3: Khí có nhiệt độ và áp suất cao đi qua cánh quạt của turbine, chuyển thành động năng quay trục, dẫn động máy phát điện.

Bước 4: Khí thải từ turbine khí có nhiệt độ cao được dẫn đến lò hơi thu hồi nhiệt thải (HRSG). Nước trong ống tăng áp suất cao, nhận nhiệt từ khói đi ngoài ống, sôi và chuyển thành hơi quá nhiệt.

Bước 5: Hơi nước có nhiệt độ và áp suất cao dẫn vào turbine hơi, chuyển nhiệt năng thành cơ năng quay các cánh quạt và trục turbine, dẫn động máy phát điện.

Bước 6: Hơi nước sau khi giãn nở, sinh công trong turbine hơi sẽ giảm nhiệt độ và áp suất, rồi đi vào bình ngưng. Hơi nước ngưng tụ nhờ nước làm mát từ sông, biển hay tháp giải nhiệt.

Nguyên lý hoạt động của nhà máy điện khí chu trình hỗn hợp là kết hợp hai chu trình nhiệt: chu trình Brayton trong turbine khí và chu trình Rankine trong turbine hơi. Hiệu suất của nhà máy điện khí chu trình hỗn hợp rất cao, có thể đạt tới 60%, với mức phát thải CO và NOx rất thấp.

3. Vai trò của lò hơi trong hệ thống

Lò hơi đóng vai trò quan trọng trong nhà máy điện khí chu trình hỗn hợp bằng cách chuyển đổi nhiệt năng từ khí thải thành nhiệt năng trong hơi nước để tạo ra điện năng. Công nghệ HRSG (Heat Recovery Steam Generator) có thể tạo ra tới 33% sản lượng điện cho nhà máy.

3.1 Tạo hơi nước có thông số thích hợp

Lò hơi HRSG gồm các bộ phận hâm nước, bộ sinh hơi, bộ quá nhiệt và bộ quá nhiệt trung gian. Có các loại một cấp áp suất, hai cấp áp suất và ba cấp áp suất. Có hai dạng tuần hoàn: tuần hoàn tự nhiên (có balong) và tuần hoàn cưỡng bức (once-through). Lò hơi cũng có hai hướng bố trí: lò ngang (dòng khí nằm ngang, bộ trao đổi nhiệt dạng đứng) và lò đứng (dòng khí đứng, bộ trao đổi nhiệt dạng ngang).

Hệ thống còn bao gồm hệ thống khử xúc tác chọn lọc (SCR) để giảm lượng khí thải NOx trong khí thải turbine khí.

3.2 Trao đổi nhiệt trong lò hơi thu hồi nhiệt thải

Dòng khí thải từ turbine khí có nhiệt độ khoảng 500-600°C. Vì không có quá trình cháy trong lò hơi thu hồi nhiệt, trao đổi nhiệt chủ yếu là đối lưu (với một phần nhỏ từ trao đổi nhiệt bức xạ).

4. Ưu và Nhược điểm

4.1 Ưu điểm

Nhà máy điện khí chu trình hỗn hợp có nhiều ưu điểm.

• Đầu tiên, nhà máy có hiệu suất cao do sự kết hợp của hai chu trình, giúp tận dụng năng lượng hiệu quả.

• Nhà máy điện khí thường có lượng phát thải thấp hơn so với một số phương pháp sản xuất điện khác. Điện khí LNG có lượng phát thải carbon ít hơn 45% so với điện than và 30% so với đốt dầu.

Hệ thống này còn có khả năng linh hoạt trong việc chuyển đổi giữa các nguồn năng lượng (khí và dầu), giảm ảnh hưởng của biến động nguồn năng lượng và giúp ổn định hệ thống điện.

Ngoài ra, quá trình khởi động của hệ turbine rất nhanh, kịp thời đáp ứng nhu cầu phụ tải điện thay đổi.

4.2 Nhược điểm

Tuy nhiên, nhà máy điện khí chu trình hỗn hợp cũng tồn tại một số nhược điểm.

♦ Đầu tiên, chi phí đầu tư cao. Xây dựng và triển khai nhà máy điện khí chu trình hỗn hợp đòi hỏi đầu tư lớn. Các công nghệ mới và thiết bị chuyển đổi năng lượng có chi phí cao.

♦ Hệ thống tua-bin khí cần được vận hành và bảo dưỡng một cách chính xác và hiệu quả để đảm bảo hiệu suất cao và tránh sự cố. Các quy trình này đòi hỏi kiến thức chuyên sâu và kỹ năng kỹ thuật cao.

♦ Cuối cùng, nếu nhà máy điện khí sử dụng chủ yếu khí tự nhiên, nó vẫn phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch, và do đó, vẫn tồn tại các thách thức liên quan đến biến động giá khí tự nhiên và sự ảnh hưởng môi trường.

Những thách thức này có thể được giảm nhẹ thông qua quản lý và cải tiến công nghệ. Đối với nhiều quốc gia, nhà máy điện khí chu trình hỗn hợp vẫn được xem là một phương tiện quan trọng để đáp ứng nhu cầu năng lượng và giảm phát thải.