Nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch

Định nghĩa, cách thức vận hành, ưu nhược điểm của nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Ngoài ra còn so sánh về khía cạnh kinh tế của nhà máy nhiệt điện so với nhà máy thủy điện. Trong các nguồn năng lượng được sử dụng trong công nghiệp và sinh hoạt hiện nay, điện năng là nguồn năng lượng phổ biến nhất. Điện năng có ưu điểm là giá thành rẻ, chi phí vận chuyển rất thấp. Có nhiều hình thức để sản xuất ra năng lượng điện khác nhau như thủy điện, nhiệt điện, điện mặt trời, điện gió… Trong đó, các nhà máy nhiệt điện luôn chiếm tỉ lệ rất lớn về số lượng nhà máy cũng như số lượng điện sản xuất ra ở Việt Nam và trên thế giới

Chương 3 NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN SỬ DỤNG

NHIÊN LIỆU HÓA THẠCH

LỜI NÓI ĐẦU

Cuộc cách mạng công nghiệp vào nửa cuối thế kỉ XVIII đã mang lại một sự thay đổi lớn trong xã hội loài người Lần đầu tiên, loài người đã được giải phóng khỏi những công việc nặng nhọc và nguy hiểm, mà nhường phần việc đó cho máy móc Tuy nhiên, cũng từ đó, con người phải giải một bài toán rất lớn để đảm bảo máy móc vận hành liên tục và ổn định: bài toán năng lượng Rất nhiều cuộc chiến tranh trên thế giới giữa các cường quốc vì tranh giành nguồn năng lượng cũng từ đó mà ra

Trong các nguồn năng lượng được sử dụng trong công nghiệp và sinh hoạt hiện nay, điện năng là nguồn năng lượng phổ biến nhất Điện năng có ưu điểm là giá thành rẻ, chi phí vận chuyển rất thấp Có nhiều hình thức để sản xuất ra năng lượng điện khác nhau như thủy điện,

nhiệt điện, điện mặt trời, điện gió… Trong đó, các nhà máy nhiệt điện luôn chiếm tỉ lệ rất lớn về

số lượng nhà máy cũng như số lượng điện sản xuất ra ở Việt Nam và trên thế giới Tính đến hết năm 2013, tổng công suất đặt hệ thống điện quốc gia là 30 597 MW, trong đó, nhiệt điện là 15

539 MW chiếm 50,79% và chiếm 53,64% sản lượng điện toàn hệ thống Các nhà máy nhiệt điện

sử dụng nhiên liệu hóa thạch chiếm phần lớn trong số các nhà máy nhiệt điện bởi tính thuận

tiện và đa dạng của nguồn nhiên liệu này

Mục tiêu của chúng em khi thực hiện đề tài này, trước hết, là tìm hiểu toàn bộ các thông tin về nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch, từ khái niệm, cấu tạo, cách thức vận hành, hiệu quả kinh tế, tác động đến môi trường… Qua đó, rút ra những ưu điểm và nhược điểm của loại nhà máy điện này, từ đó đánh giá xem liệu đây có phải là mô hình nhà máy điện mà Việt Nam nên mở rộng trong tương lai hay không Điều này ảnh hưởng rất quan trọng đến nền kinh tế

vì năng lượng là một trong những yếu tố sống còn của bất kì quốc gia nào

Chúng em xin cảm ơn thầy Huỳnh Quốc Việt đã hướng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện đề tài Chúng em cũng xin cảm ơn tất cả các tác giả của những bài báo, bài viết trong nguồn tham khảo, cũng như tập thể sinh viên lớp VP2012 đã đặt câu hỏi phản biện nhằm làm hoàn thiện đề tài hơn

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 01/12/2015

VP2012 – Nhóm 3

Lê Minh Hoàng

Lê Phước Hưng

MỤC LỤC

3.1 Giới thiệu về nhà máy nhiệt điện 3

3.2 Năng lượng sơ cấp 4

3.2.1 Than 4

3.2.2 Dầu 4

3.2.3 Khí thiên nhiên 5

3.3 Nguyên lý hoạt động 5

3.3.1 Nhà máy nhiệt điện chạy bằng than 5

3.3.2 Nhà máy nhiệt điện chạy bằng dầu 7

3.3.3 Nhà máy nhiệt điện chạy bằng khí thiên nhiên 7

3.4 Turbine hơi nước và turbine khí 9

3.4.1 Turbine hơi nước 9

3.4.2 Turbine khí 11

3.5 Kinh tế 12

3.5.1 Chi phí đầu tư 12

3.5.2 Chi phí nhiên liệu 13

3.5.3 Phân tích chi phí 13

3.6 Môi trường 14

3.6.1 Quy chuẩn kĩ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp nhiệt điện 14

3.6.2 Ảnh hưởng của nhà máy nhiệt điện đến môi trường Việt Nam 16

3.7 Ưu điểm – Nhược điểm 16

3.7.1 Ưu điểm 16

3.7.2 Nhược điểm 16

3.8 Hỏi – Đáp 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

3.1 GIỚI THIỆU VỀ NHIỆT ĐIỆN

Nhà máy điện đầu tiên được xây dựng năm 1862 ở Anh Đó là nhà máy thủy điện Tuy nhiên, nhà máy thủy điện có hạn chế là phải đặt ở bên cạnh những con sông Vào mùa đông, các nhà máy thủy điện thường phải đóng cửa do nước sông đóng băng Vì vậy, con người tiếp tục phải xây dựng một loại nhà máy điện khác có thể hoạt động quanh năm

Năm 1882, Thomas Edison xây dựng tại New York nhà máy nhiệt điện đầu tiên trên thế giới Nhà máy điện đơn giản này sử dụng động cơ hơi nước do James Watt phát minh để dẫn động máy phát điện một chiều phục vụ cho mục đích chiếu sáng Năm 1883, Gustav de Laval (Thụy Điển) lần đầu tiên đưa tuốc bin hơi nước vào thử nghiệm và đã nhanh chóng phát triển thay thế máy hơi nước, tạo ra cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp nhiệt điện

Nhà máy nhiệt điện là nhà máy sử dụng nguồn nguyên liêu hóa thạch, biến đôi thành nhiệt năng sau đó thành cơ năng để làm quay máy phát điện Nguyên liệu chủ yếu phục vụ cho nhà máy là than Than được nghiền nhỏ, đủ tiêu chuẩn được đưa vào trong buồng đốt Hơi nóng được dẫn tới các thiết bị để làm nóng và chuyển hóa nước cấp vào thành hơi nước bão hòa Từ đó hơi bão hòa lại được gia nhiệt một lần nữa thành hơi quá nhiệt rồi được đưa tới turbine làm quay turbine và như vậy đã làm chạy máy phát điện

Trên thế giới, các nhà máy nhiệt điện lớn nhất dùng nhiên liệu hóa thạch là nhà máy Taichung của Đài Loan (công suất 5500 MW – nhiên liệu than), nhà máy Kashima của Nhật Bản (công suất 4400 MW – nhiên liệu dầu), nhà máy Surgut-2 của Nga (công suất 5597 MW – nhiên liệu khí thiên nhiên)

Ở Việt Nam, nhà máy nhiệt điện lớn nhất (đã đi vào vận hành) là nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1 với 2 cụm máy, công suất (600 MW x 2 = 1200 MW), đặt tại huyện Kỳ Anh, tỉnh

Hà Tĩnh

Hiện tại, ở Việt Nam, nguồn điện từ nhà máy nhiệt điện vẫn đang chiếm tỉ lệ lớn nhất trong cơ cấu nguồn điện và vẫn sẽ còn đóng vai trò quan trọng trong tương lai

Hình 1: Cơ cấu nguồn điện Việt Nam các năm 2006 và 2010

3.2 NĂNG LƯỢNG SƠ CẤP

Có 3 loại nhiên liệu chính: than, dầu và khí thiên nhiên

3.2.1 Than

Hình 2: Than

Than được hình thành từ hàng triệu năm trước, do cây cối phân hủy tạo thành Các hoạt động địa chất (địa nhiệt, áp suất trong lòng đất, sự dịch chuyển của bề mặt Trái Đất,… ) giúp làm tăng chất lượng của than

Thành phần hóa học của than gồm các nguyên tố C,H,O,N,S…

Phân loại than theo chiều tăng dần của hàm lượng carbon

- Lignite (than non) 25-35% Carbon

- Subbituminous (than á bitum) 35-45% Carbon

- Bituminous (than bitum) 45-86% Carbon

- Anthracite (than hoạt tính) 86-97% Carbon

Ưu điểm: Dễ cháy, có thể tạo ra nhiệt lượng lớn

Nhược điểm: Than là nhiên liệu không tái tạo, việc khai thác than và đốt than gây ô nhiễm môi trường

3.2.2 Dầu

Hình 3: Các thành phần của dầu thô

Dầu được hình thành bởi xác các sinh vật biển bị phân rã ở dưới đáy biển.

Dầu là một hỗn hợp của các hydro carbon (thường là các hợp chất nhóm parafin CnH2n+2) Nhìn chung, dầu dễ sử dụng vì dễ cháy

Ưu điểm và nhược điểm: Giống như than

3.2.3 Khí thiên nhiên

Hình 4: Các thành phần của khí thiên nhiên

Nguồn gốc: Là một loại nhiên liệu hóa thạch sinh ra do các lớp xác động thực vật bị tác động bởi nhiệt và áp suất qua hàng ngàn năm

Đốt khoảng 1 m3 khí thiên nhiên tạo ra nhiệt lượng khoảng 38 MJ

Ưu điểm: Đốt khí tự nhiên an toàn và ít gây hại đến môi trường hơn so với đốt than hay dầu

Nhược điểm: Khó vận chuyển, khí tự nhiên nếu bị rò rỉ có thể gây nguy hiểm đến sức khỏe con người

3.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

3.3.1 Nhà máy nhiệt điện chạy bằng than

3.3.1.1 Cấu tạo

Hình 5: Cấu tạo bên trong nhà máy nhiệt điện sử dụng than

Hình 6: Hình ảnh trực quan nhà máy nhiệt điện sử dụng than

(1) Cung cấp than đầu vào

(2) Lò hơi

(3) Các hệ thống tro

(4) Ống xả thải

(5) Làn khí thải

(6) Turbine hơi nước

(7) Máy phát điện (8) Cung cấp nước (9) Mạng lưới truyền tải điện (10) Hộ gia đình và doanh nghiệp tiêu thụ điện

3.3.1.2 Hoạt động

Đầu tiên, than (1) được nghiền thành bột mịn và thổi vào lò hơi (2) Trong lò hơi, than được đốt cháy, chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng nhiệt Nghiền than thành bột làm tăng diện tích bề mặt của nó, giúp than cháy nhanh hơn và nóng hơn, sinh ra nhiều nhiệt và ít bụi

Đốt than sinh ra tro và khí thải Tro rơi xuống tầng đáy của lò hơi và được lấy ra bởi các

hệ thống tro (3)

Các khí thải đi vào ống xả thải (4) (trong đó có thiết bị để lọc ra bụi và tro), và được thải

ra bầu khí quyển Các ống xả thải được xây rất cao để các đụn khí thải (5) có thể phân tán loãng

ra trước khi các đụn khói chìm lại xuống mặt đất Điều này giúp bảo vệ bầu khí quyển xung quanh

Than được đốt cháy, cung cấp nhiệt cho nước lỏng bay hơi Hơi nước nóng theo các đường ống dẫn đến turbine, làm cho turbine hơi nước (6) quay, chạy máy phát điện (7) và sinh ra điện, chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng và cuối cùng là điện năng

Sau khi đi qua tuabin, hơi nước tiếp xúc với các bình ngưng tụ và tháp làm lạnh để hóa lỏng Nước (8) đồng thời cũng được bơm thẳng từ sông hay biển Sau đó nó được truyền dẫn tới các lò hơi, để được làm nóng lên một lần nữa, biến thành hơi nước, và chạy turbine

Cuối cùng, điện được chuyển sang cao áp, truyền đi trên mạng lưới quốc gia (9) đến từng

hộ dân và doanh nghiệp (10)

3.4.2 Nhà máy nhiệt điện chạy bằng dầu

3.4.2.1 Cấu tạo

Hình 7: Hình ảnh trực quan nhà máy nhiệt điện sử dụng dầu

(1) Cung cấp dầu

(2) Lò hơi

(3) Turbine hơi nước

(4) Máy phát điện

(5) Cung cấp nước

(6) Mạng lưới truyền tải điện (7) Hộ gia đình và doanh nghiệp tiêu thụ điện

(8) Ống xả thải (9) Làn khí thải

3.4.2.2 Hoạt động

Về cơ bản giống như hoạt động của nhà máy nhiệt điện chạy bằng than Chỉ khác là nguồn cung cấp nhiên liệu đầu vào là dầu (1) và được thiết kế để bơm dầu vào

3.4.3 Nhà máy nhiệt điện chạy bằng khí thiên nhiên

3.4.3.1 Cấu tạo

Hình 8: Cấu tạo bên trong nhà máy nhiệt điện chạy bằng khí thiên nhiên

Hình 9: Hình ảnh trực quan nhà máy nhiệt điện sử dụng khí thiên nhiên

(1) Khí thiên nhiên đầu vào

(2) Turbine khí

(3) Không khí đầu vào

(4) Máy phát điện gắn với turbine khí

(5) Máy phát điện chạy bằng hơi nước hồi

nhiệt

(6) Ống xả thải

(7) Làn khí thải (8) Turbine hơi nước (9) Máy phát điện chạy bằng turbine hơi nước

(10) Cung cấp nước mát (11) Mạng lưới truyền tải điện (12) Hộ tiêu dùng và doanh nghiệp

3.4.3.2 Hoạt động

Hoạt động về cơ bản cũng giống như nhà máy nhiệt điện dùng than và dầu Tuy nhiên, đối với nhà máy nhiệt điện sử dụng khí thiên nhiên, ta sử dụng thêm turbine khí bên cạnh turbine hơi nước

Khác biệt nữa ở chỗ, khí làm quay turbine là không chỉ có hơi nước, mà còn có cả hỗn hợp khí thu được sau khi đốt khí thiên nhiên Khí thiên nhiên (1) được bơm vào các turbine khí (2) được trộn với không khí (3) và đốt cháy, chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng nhiệt

Sau khi đi qua turbine khí, khí đốt vẫn còn nóng được dẫn đến máy phát điện chạy bằng turbine hơi nước (5) Ở đây nó được sử dụng để làm nóng nước, biến nước thành hơi nước sau đó thoát ra qua ống xả thải (6) Khí tự nhiên cháy rất sạch, nhưng ống xả thải vẫn được xây dựng cao

để làn khí thải (7) có thể phân tán trước khi nó chìm xuống đất

Hơi nước nóng lan rộng trong các đường ống, làm quay tuabin hơi (8), Các tua bin hơi nước được nối với nhau bằng một trục gắn với máy phát điện (9), từ đó cơ năng chuyển đổi thành điện năng

3.4 TURBINE HƠI NƯỚC VÀ TURBINE KHÍ:

3.4.1 Turbine hơi nước

3.4.1.1 Khái niệm và cấu tạo

Turbine hơi nước hay còn gọi là động cơ hơi nước, trong đó thế năng của hơi ban đầu sẽ chuyển hóa thành động năng, sau đó chuyển thành cơ năng làm quay bánh công tác

Cấu tạo

Hình 10: Sơ đồ cấu tạo của turbine hơi nước

Đây là một tua bin trục ngang Dòng nước chảy qua van nạp, mối hàn lắp, vỏ xoắn ốc, đẩy rôto quay Đế tiện lắp đặt và đại tu, thiết bị này có một cấu trúc hai trụ bản lề lỗ hút thẳng đứng Bộ phân phối tua bin gồm có những bộ phận sau:

 Bộ ống nạp:

Bộ ống nạp gồm có ống, van nạp, mối hàn lắp, ống dạng nón, và ống khuỷu, v.v Đó là phần đầu tiên của tua bin Van nạp ngắt dòng chảy khi tua bin xảy ra các sự cố khẩn cấp hoặc ngừng đại tu Ống nạp có bộ phận hàn, với áp suất chịu đựng và hiệu suất thuỷ lực thuận lợi

 Bộ phận chính:

Cánh dẫn hướng, làm bằng thép không rỉ, là một kết cấu có hai trụ đỡ Nắp cột áp và vòng đai, đáy có vỏ bằng thép ZG230-450 Bộ phân phối có cấu trúc lá trượt đơn giản, để tiện lắp đặt và đại tu Có các chốt trượt bảo vệ giữa thanh chắn dòng và thanh chắn dòng tự động

 Bộ phận quay

Rôto được lắp đặt trên phần mở rộng của trục bộ phận điều chỉnh với chêm, và côn rôto Vỏ rôto làm bằng thép không gỉ, chống xâm thực tốt và có đặc tính mài mòn

 Bộ ống hút

Bộ ống hút gồm có một thiết bị nạp khí, một ống khuỷu, và một ống hình nón Thiết bị nạp khí được lắp giữa vòng đai đáy và ống khuỷu Để giảm độ rung thuý lực và ảnh hưởng đến khí xâm thực, cần phải có thiết bị nạp khí và khí bổ sung tự nhiên ở ngoài vùng định danh của thiết bị

3.4.1.2 Nguyên lý hoạt động

Hình 11: Sơ đồ nguyên lý hoạt động turbine hơi nước

Thiết bị turbine hơi gồm có:

1 Lò hơi 1: trong đó nước cấp dưới áp suất tương ứng sê chuyển hóa thành hơi bão hòa

2 Bộ quá nhiệt 2: ở đây sẽ làm tăng nhiệt độ hơi tới giá trị đã cho

3 Tuabin 3: Trong đó thế năng của hơi nước chuyển hóa thành động năng, còn động năng chuyển hóa thành cơ năng trên trục

4 Bình ngưng 4: Dùng để làm ngưng tụ hơi thoát khỏi turbine

5 Bơm nước ngưng 5: Để bơm nước ngưng vào hệ thống gia nhiệt hồi nhiệt (7& 10)

6 Bình khử khí 8: Chủ yếu để khử khí oxi trong nước cấp

7 Bơm nước cấp 9: Để bơm nước cấp vào lò hơi

8 Máy phát điện 6: Để phát điện

- Quá trình ngưng hơi đẳng áp thực hiện trong bình ngưng 4, hơi sau khi thoát khỏi đuôi tuabin là hơi bảo hoà ấm, nó được đấy vào bình ngưng đế nhận nhiệt hoá hơi và biến thành nước

3-3’ là quá trình nén nước, từ áp suất p2 ở bình ngưng vào lò hơi có áp suất pl nhờ bom cấp l(quá trình xem là đoạn nhiệt), nó tiêu hao một công tương ứng wp Thực tế Wp << WT

Là quá trình gia nhiệt đẳng áp từ nước chưa sôi biến thành hơi quá nhiệt sau đó hơi này được đẩy vào tuabin

3.4.2 Turbine khí

3.4.2.1 Khái niêm và cấu tạo 

Turbine khí là loại động cơ nhiệt dạng rotor trong đó chất giãn nở sinh công là không khí Động cơ gồm ba bộ phận chính là khối máy nén khí (tiếng Anh: compressor) dạng rotor (chuyển động quay); buồng đốt đẳng áp loại hở; và khối turbine khí rotor Khối máy nén và khối turbine

có trục đuợc nối với nhau để turbine làm quay máy nén

Hình 12: Sơ đồ cấu tạo turbine khí

Khí nén được đưa vào buồng đốt, trộn với nhiên liệu vào đốt, không khí nén được nhiệt từ khí đôt và giãn nở  không khí giãn nở sẽ làm quay các turbines

  Máy phát điện turbine khí có thể có công suất tới 480 MW

3.4.2.2 Nguyên lý hoat đông ( dựa vào Chu trình Brayton)

Chu trình Brayton lý tưởng

Hình 13 : Chu trình Brayton lý tưởng

p - Áp suất; V - thể tích; q - nhiệt lượng; T - Nhiệt độ K°; s - Entropy 1-2: Nén đẳng Entropy tại máy nén; 2-3: Gia nhiệt đẳng áp tại buồng đốt; 3-4: Giãn nở sinh công đẳng entropy tại tuốc bin; 4-1: khép kín chu trình đẳng áp bên ngoài môi trường

Máy nén khí quay làm không khí từ cửa hút của máy nén được nén lại để tăng áp suất, trong quá trình đó không chỉ áp suất tăng mà nhiệt độ cũng tăng (ngoài ý muốn) Đây là quá trình tăng nội năng không khí trong máy nén Sau đó không khí chảy qua buồng đốt tại đây nhiên liệu (dầu) được đưa vào để trộn và đốt một phần không khí, quá trình cháy là quá trình gia nhiệt đẳng

áp trong đó không khí bị gia nhiệt tăng nhiệt độ và thể tích mà không tăng áp suất Thể tích không khí được tăng lên rất nhiều và có nhiệt độ cao được thổi về phía tuốc bin với vận tốc rất cao Tuốc bin là khối sinh công tại đây không khí tiến hành giãn nở sinh công: Nội năng biến thành cơ năng: áp suất, nhiệt độ và vận tốc không khí giảm xuống biến thành năng lượng cơ học dưới dạng mô men tạo chuyển động quay cho trục turbine Turbine quay sẽ truyền moment quay máy nén cho động cơ tiếp tục làm việc Phần năng lượng còn lại của dòng khí nóng chuyển động với vận tốc cao tiếp tục sinh công có ích tùy thuộc thiết kế của từng động cơ

3.5 KINH TẾ

3.5.1 Chi phí đầu tư:

Trong các loại hình nhiệt điện thì chi phí đầu tư cho các dự án nhiệt điện than là cao nhất, với mức 1.200 USD/KW đối với các nhà máy có công suất lớn, hiện đại, mức độ ô nhiễm thấp Các nhà máy nhiệt điện khí có mức đầu tư tầm 600 USD/KW và rẻ nhất là các nhà máy nhiệt điện dầu với phí đầu tư chỉ ở mức 200 USD/KW Thời gian xây dựng các dự án nhiệt điện cũng tương đối dài, với các dự án nhiệt điện than, thời gian xây tầm 3 – 5 năm tùy theo quy mô dự án, nhiệt điện khí khoảng 2 năm