Nâng cao hiệu quả vận hành lò hơi, tiết kiệm tiêu thụ than ở Nhà máy nhiệt điện

Nâng cao hiệu quả vận hành lò hơi, tiết kiệm tiêu thụ than ở nhà máy nhiệt điện - Steam Boiler Efficiency Improvement

Hiện nay ở Việt Nam đang triển khai xây dựng hàng loạt nhà máy và trung tâm nhiệt điện đốt than, nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế của đất nước. Những nhà máy mới, đang và sẽ được xây dựng này được thiết kế và xây dựng với tiêu chí hiện đại, hiệu suất cao và đảm bảo môi trường, phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Tuy nhiên, bên cạnh những nhà máy này vẫn còn những nhà máy nhiệt điện cũ, đã được xây dựng và vận hành từ lâu với công nghệ lạc hậu và suy giảm hiệu suất. Việc nhận dạng và khắc phục các tổn thất năng lượng trong các nhà máy này, cụ thể là khâu lò hơi đốt than sẽ có một ý nghĩa nhất định trong lĩnh vực sản xuất điện năng.

Nhà máy điện là cơ sở sản xuất có công nghệ rất phức tạp, bao gồm nhiều hệ thống với rất nhiều thiết bị công nghệ khác nhau nhưng lại liên hệ mật thiết với nhau. Trong mỗi hệ thống, mỗi thiết bị, mức độ tổn thất năng lượng cũng khác nhau. Vì vậy trước hết cần chú trọng việc vận hành và quản lý những hệ thống, thiết bị có tỉ lệ tổn thất năng lượng cao, đồng thời cần tập trung nghiên cứu tìm các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống và thiết bị này.

Thước đo tính kinh tế của nhà máy nhiệt điện là hiệu suất nhà máy, được thể hiện dưới dạng tỷ số của điện năng sản xuất ra và nhiệt lượng do nhiên liệu cung cấp cho nhà máy, nói cách khác, hiệu suất là một chỉ số gián tiếp thể hiện các tổn thất của nhà máy.

Thông thường, hiệu suất tổ máy (nhà máy) được tính theo công thức:

Như vậy các tổn thất của lò hơi, tuabin - máy phát và truyền tải của đường ống sẽ quyết định trực tiếp tới hiệu suất của tổ máy.

1 - Các loại tổn thất của lò hơi

Hiện tại ở Việt Nam đang tồn tại hai cách tính hiệu suất lò hơi theo phương pháp ngược là tính hiệu suất lò hơi theo nhiệt trị cao (HHV) và theo nhiệt trị thấp (LHV) của than. Với các nhà máy cũ, hiệu suất lò hơi được tính theo phương pháp nhiệt trị thấp.

Với phương pháp tính này, các tổn thất nhiệt của lò hơi bao gồm:

- Tổn thất nhiệt do khói thải mang đi: q2;

- Tổn thất do cháy không hết về hoá học và cơ học: q3 và q4;

- Tổn thất do toả nhiệt ra môi trường qua bảo ôn và xỉ: q5 và q6.

Các lò hơi hiện đại có tổn thất tính theo tỷ lệ phần trăm của nhiệt cấp vào lò là khoảng 8-10%, tức là hiệu suất của các lò hơi hiện đại khoảng 90-92%. Các lò hơi tại các nhà máy nhiệt điện cũ có hiệu suất thiết kế từ 86,06% đến 90,65%, nhưng sau một thời gian dài vận hành, hiện nay hiệu suất của các lò hơi đã suy giảm nhiều. Hiện nay, hiệu suất thực tế của các lò hơi đó chỉ đạt khoảng 74 - 84% (xem bảng 1). Việc này trước hết do ảnh hưởng của chế độ bảo dưỡng, sửa chữa và vận hành thiết bị. Vấn đề đặt ra là phải có biện pháp giảm các tổn thất này. Vậy các tổn thất chính của lò hơi hiện nay là gì?

Bảng 1. Các tổn thất của lò hơi

Nguồn số liệu lấy từ: Quy trình vận hành lò hơi của các NMĐ Phả Lại 1, Uông Bí, Ninh Bình và từ Trung tâm Thí nghiệm Điện.

Phân tích bảng 1 có thể nhận thấy rằng hai tổn thất chính của lò hơi là tổn thất nhiệt theo khói thải (q2) và tổn thất nhiệt do các bon cháy không hết (q3 và q4) và đây cũng là hai đại lượng làm suy giảm nhiều nhất hiệu suất lò hơi so với giá trị thiết kế.

a) Tổn thất nhiệt theo khói thải q2

Trước hết nó phụ thuộc vào hệ số không khí thừa và nhiệt độ khói thải.

Hệ số không khí thừa tại đuôi lò của các lò hơi hiện nay khoảng 1,4 - 1,45, lớn hơn nhiều hệ số không khí thiết kế (1,25 - 1,30), làm tổn thất q2 tăng. Nguyên nhân chính làm hệ số không khí thừa tăng là do chế độ làm việc của hệ thống chế biến than thay đổi nhiều, do lọt gió lạnh vào lò và vào hệ thống chế biến than. Hiện nay tại các nhà máy nhiệt điện đốt than, chất lượng than được cung cấp xấu hơn: nhiệt trị giảm, độ ẩm, độ tro tăng, v.v., vì vậy mà hệ thống chế biến than phải làm việc quá tải, lượng không khí cần để sấy, vận tải than tăng nhiều, đồng thời hệ thống chế biến than bị lọt gió quá nhiều làm cho lượng không khí cấp vào lò tăng hơn thiết kế. Hơn thế nữa, lượng gió tăng thêm này là gió lạnh và chủ yếu được đưa vào lò dưới dạng gió cấp 3 (có khi tới 30% tổng lượng gió), làm ảnh hưởng tới chế độ cháy, chế độ khí động của buồng lửa, làm cho tổn thất do cháy không hết q4 (sẽ nói ở dưới đây) tăng lên. Cũng cần nói thêm rằng, khi lượng gió (và lượng khói thải) tăng lên thì các quạt gió, quạt khói phải làm việc nhiều hơn, đôi khi quá tải, làm điện tự dùng, cũng có nghĩa là tổn thất của nhà lò tăng. Cũng cần phải nói thêm nữa là khi lượng gió tăng thì các bộ sấy không khí không thể đảm bảo được nhiệt độ gió nóng (thấp hơn nhiệt độ thiết kế đến 50 oC), điều này lại làm cho hệ thống chế biến than làm việc kém và lò hơi cháy không tốt. Như vậy, chỉ xét riêng chế độ gió thì hệ thống chế biến than và lò hơi có quan hệ nhân quả rất phức tạp, một khâu trong dây chuyền này suy giảm sẽ làm suy giảm đặc tính của khâu thứ hai và nó lại tiếp tục làm suy giảm thêm đặc tính của khâu thứ nhất...

Buồng lửa, đuôi lò không kín, xì hở bộ sấy không khí, lọt gió lạnh khi ra xỉ (ở một số lò hơi) cũng làm cho hệ số không khí thừa tăng.

Yếu tố thứ hai ảnh hưởng tới tổn thất q2, nhưng ở mức độ thấp hơn, là nhiệt độ khói thải. Theo các số liệu hiệu chỉnh lò hơi của Trung tâm Thí nghiệm Điện thì nhiệt độ khói thải ở trước bộ lọc bụi của hầu hết các lò hơi là khoảng 135-145oC, trong khi nhiệt độ cho phép chỉ khoảng 125-130oC. Nguyên nhân của nhiệt độ khói thoát tăng là do tổ chức chế độ cháy trong buồng không hợp lý, các đai cháy có diện tích không phù hợp, các bề mặt trao đổi nhiệt trong buồng lửa bị tro xỉ bám bên ngoài và bị cáu cặn trong đường ống làm cho khả năng truyền nhiệt giảm. Ngoài ra, khi độ thô, độ ẩm than bột lớn, chân không buồng lửa cao sẽ làm cho tâm cháy chuyển dịch lên phía trên, dẫn đến nhiệt độ khói thoát cũng tăng lên... Dễ dàng nhận thấy rằng nhiệt độ khói thoát tăng cao kết hợp với lưu lượng khói thải cũng tăng cao sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất lò.

Ngoài ra, vận hành lò với nhiệt độ nước cấp thấp (khi các bình gia nhiệt không làm việc hoặc làm việc kém hiệu quả) cũng dẫn đến làm tăng tổn thất q2, do phải cung cấp lượng than-gió nhiều hơn (so với chế độ định mức) để đảm bảo thông số hơi (lưu lượng và áp suất), tuy nhiên chính vì vậy mà làm tăng nhiệt độ hơi quá nhiệt và việc phun giảm ôn để duy trì nhiệt độ hơi yêu cầu lại gây thêm một tổn thất nhiệt nữa.

b) Tổn thất do cháy không hết về hoá học và cơ học q3, q4

Các nhà máy nhiệt điện hiện nay có các tổn thất trên là khá lớn, đây là yếu tố làm hiệu suất lò hơi suy giảm nhiều nhất, đặc biệt là q4. Thực tế khách quan cho thấy than antraxit Việt Nam là rất khó cháy, do hàm lượng chất bốc thấp, than khó bén cháy và bén cháy ở nhiệt độ cao. Tình hình chất lượng than suy giảm (chất bốc, hàm lượng tro) càng làm cho chế độ cháy trong buồng lửa của lò hơi xấu đi. Mặt khác, tổn thất nhiệt q3, q4 còn phụ thuộc nhiều vào hệ số không khí thừa và kết cấu các vòi đốt than bột. Hệ số không khí thừa quá nhỏ hoặc quá lớn hoặc vận hành ở tải thấp (nhiệt độ buồng lửa thấp) làm cho các tổn thất q3, q4 tăng lên. Thiết kế vòi đốt than, đai đốt không hợp lý, các khiếm khuyết vòi đốt như: mòn, thủng cũng làm cho q3, q4 tăng. Tổn thất q4 còn phụ thuộc vào độ mịn, độ ẩm than bột, chất lượng than, nhiệt độ gió nóng, tỷ lệ-tốc độ gió... Tổn thất q4 cao tức là hàm lượng các bon còn lại trong tro lớn (20 - 30%), gây khó khăn trong việc sử dụng tro xỉ làm phụ gia xi măng và các vật liệu xây dựng, làm cho lượng tro xỉ thải ra nhiều hơn thiết kế dẫn tới việc hệ thống thải tro xỉ phải làm việc căng thẳng hơn, tình hình các bãi xỉ cũng trở nên khó khăn hơn.

c) Tổn thất nhiệt q5 và q6:

Tổ thất q5 chủ yếu là do các lớp bảo ôn bị hư hỏng, hoặc chất lượng, độ dày lớp bảo ôn không đạt yêu cầu. Bảng 1 cũng cho thấy rằng các dạng tổn thất khác của lò hơi: tổn thất do toả nhiệt ra môi trường bên ngoài (q5), tổn thất do nhiệt của xỉ (q6), là không lớn và các lò hơi của chúng ta hiện nay nói chung là đảm bảo được các giá trị thiết kế của các tổn thất này.

Như vậy có thể kết luận rằng, đối với các lò hơi, trước hết cần tập trung nghiên cứu các biện pháp nhằm giảm các tổn thất q2, q3 và q4.

Trên cơ sở đánh giá hiện trạng công nghệ và thiết bị của các nhà máy nhiệt điện cũ, đồng thời qua phân tích các tổn thất năng lượng trong các hệ thống và thiết bị của dây chuyền sản xuất điện, có thể đề xuất các giải pháp tiết kiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả cho các nhà máy điện theo hai hướng chính:

- Các giải pháp kỹ thuật: nâng cấp, cải tạo, sửa chữa.

- Các giải pháp quản lý: sản xuất, sửa chữa, tổ chức.

2) Các giải pháp nâng cao hiệu quả kinh tế vận hành lò hơi

Hình ảnh Nhà máy nhiệt điện Uông Bí 1 mở rộng

a) Nâng cao hiệu suất lò hơi và thiết bị phụ của chúng

Như đã trình bày ở trên, các tổn thất nhiệt của lò hơi bao gồm:

- Tổn thất nhiệt theo khói thải (q2);

- Tổn thất cháy không hết về hoá học và cơ học (q3 và q4);

- Tổn thất toả nhiệt ra môi trường (q5 và q6).

Để nâng cao hiệu suất lò hơi, cần giảm thiểu các tổn thất đó.

* Giảm tổn thất nhiệt theo khói thải (q2):

Để giảm tổn thất nhiệt q2 cần phải:

- Cung cấp không khí cho lò một cách hợp lý trong từng giai đoạn đốt cháy nhiên liệu (đảm bảo hệ số không khí thừa tối ưu) và giảm thiểu không khí lạnh lọt vào buồng lửa, đường khói và hệ thống chế biến than.

- Cải tạo hệ thống chế biến than để đảm bảo độ mịn và độ ẩm than bột.

- Đảm bảo chân không buồng đốt trong vận hành.

- Lắp đặt các thổi bụi buồng lửa và đường khói, đảm bảo chế độ thổi bụi hợp lý.

- Đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng nước cấp, nước lò để giảm thiểu đóng cáu cặn trong đường ống.

- Đảm bảo nhiệt độ nước cấp lò hơi.

Hiện nay tổn thất q2 ở các lò hơi đang vận hành dao động từ 5,7 - 7%. Nếu giữ được mức q2 <5% thì sẽ tăng được hiệu suất lò lên được khoảng 1 - 2%. Điều này rất có ý nghĩa, mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể.

* Giảm các tổn thất nhiệt do cháy không hết về hoá học và cơ học (q3 và q4):

Để giảm được tổn thất nhiệt q3, q4 cần phải:

- Đảm bảo hệ số không khí thừa tối ưu (tỉ lệ giữa nhiên liệu và không khí nóng, việc này có thể thực hiện tốt với lò đốt trực tiếp hoặc với hệ thống vận tải than bột có tỉ lệ đậm đặc cao).

- Khắc phục khiếm khuyết và cải tạo vòi đốt có hiệu suất cao. Việc lắp đặt các vòi đốt kiểu UD tại các lò hơi của Nhà máy điện Ninh Bình (Hình 1) đã cải thiện đáng kể các đặc tính của lò hơi (hiệu suất tăng 1 - 2%, không đóng xỉ, kéo dài chu kỳ vận hành lò, giảm tỷ lệ các bon còn lại trong tro...). Cần áp dụng vòi đốt kiểu UD cho các lò còn lại của các nhà máy nhiệt điện đốt than khác.

- Cải tạo hệ thống chế biến than, đảm bảo chất lượng bi nghiền để đảm bảo độ mịn than bột.

- Đảm bảo chất lượng than cung cấp (độ ẩm, độ tro, chất bốc, nhiệt trị, cỡ hạt).

- Đảm bảo tổ chức chế độ cháy hợp lý (nhiệt độ gió nóng, tỷ lệ - tốc độ gió).

Hiện nay các lò hơi hiện đại đốt than antraxit thường được thiết kế với hàm lượng các bon còn lại trong tro từ 7 - 8%, trong khi các lò hơi hiện tại đang vận hành của ta là 15 - 20% (Phả Lại, Uông Bí), thậm chí 30% (Ninh Bình) (q4 = 10 - 17%). Nếu ta duy trì được giá trị hàm lượng các bon còn lại trong tro nhỏ hơn 10% sẽ giảm được q4 từ 1 - 3%, mang lại lợi ích không nhỏ.

* Giảm tổn thất do toả nhiệt ra môi trường (q5 và q6):

Vòi phun UD giảm q6

Tổn thất nhiệt q5 phụ thuộc vào tình trạng bảo ôn bề mặt thiết bị và các đường ống. Nhiệt độ bề mặt bên ngoài lớp bảo ôn không được vượt quá 50oC và càng thấp thì càng tốt. Nếu nhiệt độ bề mặt ngoài lớp bảo ôn tăng lên 10 oC thì tổn thất nhiệt sẽ tăng lên khoảng 0,25%. Để giảm tổn thất này, phải bọc bảo ôn tất cả các thiết bị và đường ống chịu nhiệt, đảm bảo đúng các yêu cầu kỹ thuật về vật liệu và độ dày. Hiện nay tổn thất q5 của các nhà máy trên vào khoảng 0,6 - 0,7%, nếu thực hiện tốt chế độ bảo ôn có thể giảm được q5 từ 0,1 - 0,2%.

Để giảm tổn thất q6 phải có phương án cải tạo lại thuyền xỉ, vít xỉ. Theo các tài liệu của Công ty Magadi, Italia, công nghệ thải xỉ khô tiên tiến của Magadi có thể cải thiện được khoảng 1% hiệu suất lò hơi do than trong xỉ cháy kiệt hơn và nhiệt của xỉ được dùng để sấy không khí cấp cho lò hơi.

* Giảm tổn thất hơi, nước

Các tổn thất này bao gồm: xả định kỳ, xả liên tục lò hơi, xả đọng các thiết bị và đường ống, xả sự cố bao hơi, xả tràn khử khí, xả cạn lò, khử khí, bình ngưng, bình gia nhiệt để sửa chữa, xì hở van và đường ống, v.v.

Để hạn chế các tổn thất này cần phải:

- Đảm bảo chất lượng nước bổ sung tốt, không xì hở ống đồng bình ngưng để giảm lượng nước xả bẩn lò hơi.

- Thực hiện chế độ xả định kỳ và xả liên tục một cách hợp lý.

- Khắc phục xì hở hệ thống đường ống và các van.

- Nghiên cứu, áp dụng giải pháp thu hồi và tái sử dụng nguồn nước xả từ các thiết bị (các bình, bể...).

Hiện nay các nhà máy có chỉ số tổn thất này tương đối lớn, từ 3 - 5% thậm chí đến 8%. Nếu thực hiện tốt các biện pháp trên, có thể giảm được tổn thất này từ 1 - 2%.

* Giảm tổn thất hơi tự dùng

Đối với các lò hơi cũ, lượng hơi tự dùng theo thiết kế khoảng 1 - 2% sản lượng lò hơi, tuy nhiên hiện tại lượng hơi này lên tới 2 - 3%.

Để giảm tổn thất hơi tự dùng cần phải:

- Thực hiện chế độ vận hành hợp lý: sử dụng hơi tự dùng từ nguồn tối ưu.

- Xác định chế độ thổi bụi hợp lý sao cho việc thổi bụi mang lại hiệu quả cao nhất: chu kỳ thổi bụi tối ưu, thời gian thổi ngắn, đảm bảo thông số hơi thổi bụi: áp suất, nhiệt độ, giảm thiểu lưu lượng hơi thổi.

- Giảm thiểu số lần khởi động lò ngoài dự kiến.

- Khắc phục xì hở hệ thống chân không bình ngưng (do hệ thống chân không xì hở nên các ejectơ hút khí bình ngưng luôn luôn bị quá tải, tăng lượng tiêu hao hơi).

- Khắc phục xì hở hệ thống van, ống... hệ thống hơi tự dùng.

Nếu thực hiện tốt các biện pháp trên có thể giảm được giá trị này từ 0,5 - 1%.

b) Thực hiện một số biện pháp quản lý và kỹ thuật mới để cải thiện tiêu thụ nhiên liệu

* Tiến hành chế độ pha trộn nhiên liệu tối ưu để giảm chi phí nhiên liệu:

Than cung cấp cho nhà máy từ các nguồn khác nhau và có chất lượng khác nhau, giá bán tại nhà máy cũng khác nhau. Với mỗi thiết bị lò hơi cần đảm bảo loại than có chất lượng ổn định (các thành phần hoá dao động không lớn), đáp ứng yêu cầu vận hành kinh tế (hiệu suất cao), đáp ứng yêu cầu về phát thải. Điều này dẫn tới yêu cầu giải bài toán tối ưu để tìm ra tỷ lệ pha trộn than với chi phí nhiên liệu tối thiểu và đáp ứng các chỉ tiêu về nhiên liệu cho lò hơi (S, A, O, N, W, V, Q, HGI, T1, T2, T3). Để giải bài toán này cần phải lập phương trình phi tuyến với các giới hạn như khả năng cung cấp của từng nguồn nhiên liệu, các giới hạn về phát thải (SO2, NOx), các giới hạn về thành phần nhiên liệu, nhiệt độ T1, T2, T3, HGI…

* Nghiên cứu áp dụng chế độ đốt hỗ hợp than/dầu

Khi phải đốt than chất bốc thấp (khó bén cháy) như các than antraxit của Việt Nam, thành phần các bon chưa cháy hết trong tro rất cao (15 - 20%). Nguyên nhân chủ yếu là thời gian để bén cháy của hạt than trong buồng lửa kéo dài do chất bốc thấp. Có thể giải quyết vấn đề chất bốc thấp bằng cách bổ sung một phần dầu kèm để đảm bảo cháy kiệt tối đa các hạt than trong buồng lửa. Đốt kèm dầu làm tăng chi phí nhiên liệu phụ (FO) nhưng lại giảm chi phí nhiên liệu chính (than). Do vậy cần thí nghiệm tìm chế độ hỗn hợp tối ưu (hay tỉ lệ kèm dầu) sao cho chi phí nhiên liệu tổng (than & dầu) thấp hơn khi chỉ đốt riêng than (giảm thiểu tổn thất cháy chưa hết về cơ học của than).

--------------------------------------------------------------------------------

Đến với chúng tôi, quý vị sẽ được tư vấn để triển khai thành công chương trình nâng cao hiệu quả vận hành lò hơi, tuabin hơi và các hệ thống thiết bị phụ trợ trong nhà máy nhiệt điện của quý vị. Chúng tôi cam kết sẽ làm cho nhà máy nhiệt điện của quý vị tăng hiệu suất được tối thiểu 0,5 - 1%.

Để có thêm thông tin và được tư vấn chi tiết về nâng cao hiệu quả kinh tế vận hành nhà máy nhiệt điện, hãy liên hệ với chúng tôi:

CÔNG TY CP NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG BÁCH KHOA

Tel: 04 3623.1060

Fax: 04 3623.1061

Hotline: 091.353.7190 / 091.437.7190

Mr. Phạm Văn Tân - Giám đốc

Giảng viên Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt - Lạnh (Ngành nhiệt điện cũ), Trường ĐHBK HN

Email:tanphamvan.ihere@gmail.com