Vai trò quan trọng của các nhà máy điện tuabin khí hỗn hợp

Do giá nhiên liệu tăng cao và tính chất ngày càng phức tạp của thị trường năng lượng đang buộc các nhà máy tuabin khí chu trình hỗn hợp (TBKHH) chuyển sang phương thức vận hành "lưng" của biểu đồ phụ tải hệ thống điện, đòi hỏi hiệu suất và độ sẵn sàng cao kết hợp với khả năng khởi động nhanh, để đứng vững được về mặt kinh tế.

Ở Anh và nhiều nước khác, phần lớn các nguồn điện bổ sung mới trong những năm gần đây đều là các nhà máy điện TBKHH để thay thế các nhà máy điện cũ đốt than hoặc dầu đáp ứng phụ tải đáy. Tuy nhiên thị trường ngày một quan tâm hơn đến các nhà máy chu trình hỗn hợp đáp ứng nhu cầu "đỉnh".

Đối với một hệ thống các nhà máy nhiệt điện tuabin hơi như ở một số nước châu Âu, các hệ thống có tính linh hoạt cao trước đây là các tổ máy tubin hơi đốt dầu. Với phụ tải tự dùng thấp và sử dụng nhiên liệu lỏng, các tổ máy này có thể khởi động từ trạng thái lạnh chỉ trong vòng một tiếng đồng hồ. Đây là tính năng vận hành mẫu cho chu trình hỗn hợp hiện đại, sau một đêm ngừng hoạt động phải lên lại toàn tải trong một khoảng thời gian cỡ như vậy.

Các tổ máy chu trình hỗn hợp thời kỳ đầu ở châu Âu với áp suất hơi vừa phải và lò thu hồi nhiệt cấu hình thẳng đứng có thể thực hiện được phương thức nói trên. Nhưng rất nhiều tổ máy chu trình hỗn hợp hiện đại, đặc biệt là ở Bắc Mỹ, không thể thực hiện được việc khởi động và mang tải nhanh cần thiết cho vận hành "lưng" biểu đồ phụ tải. Lý do chung là ở chỗ sử dụng các lò hơi thu hồi nhiệt kiểu nằm ngang, tuần hoàn tự nhiên với áp suất hơi cao và quán tính nhiệt cao.

Thiết kế của Benson

Vào cuối năm 2005, hãng Siemens đưa ra một thông báo rất có ý nghĩa về loại tuabin khí mới, tiên tiến nhất kiểu SGT5 - 8000H. Trong số các chi tiết được công bố về tuabin khí này, đáng chú ý nhất là nó không làm mát bằng hơi và được thiết kế chuyên dùng cho vận hành linh hoạt trong chu trình hỗn hợp. Thêm vào đó là chu trình hỗn hợp sẽ chỉ được cung cấp với lò thu hồi nhiệt (kiểu trực lưu) của Benson.

Lò hơi thu hồi nhiệt Benson lần đầu tiên được lắp đặt tại Cottam (Anh) năm 1998 trong chu trình hỗn hợp với tuabin khí kiểu SGT5 - 4000F. Tổ máy vận hành cho đến nay đã được 7 năm với phương thức khi thì chạy đáy, khi thì chạy "lưng", trung bình 150 lần khởi động trong một năm. Ban đầu, Cottam được xây dựng như một Trung tâm nghiên cứu triển khai của hãng Siemens. Lò hơi có các phân đoạn cao và trung áp kiểu Benson và một bao hơi hạ áp, và được thiết kế cho áp suất hơi tối đa 160 bar, và dự kiến sau này sẽ lắp đặt một tuabin khí công suất lớn. Tiếp đó, công việc triển khai bị trì hoãn, quyền sở hữu được chuyển sang công ty E.ON (Anh), tổ máy vận hành thương mại, nhưng lò hơi chỉ có thể vận hành với áp suất hơi 125 bar với tổ máy hiện hữu.

Năm 2005, hãng Siemens nhận được hai đơn đặt hàng của Đức về cung cấp các tổ máy TBKHH SCC5 - 4000F đặt tại Hamm - Uentrop (hai tổ máy) và Hardecke (một tổ máy) với các lò hơi thu hồi nhiệt Benson nhưng với áp suất hơi cao áp 125 bar, và các tầng trung áp và hạ áp kiểu bao hơi. Mặc dù có sự chống đối chính trị của Liên minh trước đây giữa Đảng Xã hội dân chủ cũ và Đảng Xanh (bảo vệ môi trường), Đức vẫn nhận được 33% điện năng cung cấp từ các nhà máy điện hạt nhân (là những nhà máy điện chạy đáy) và có gần 14 triệu kW công suất tái tạo từ trạm phát điện bằng sức gió hoạt động lúc có lúc không. Vì vậy các lò hơi Benson cung cấp theo hai hợp đồng trên sẽ tạo ra một hệ thống linh hoạt, có khả năng đảm bảo chức năng dự phòng nóng để có thể huy động nhanh chóng khi gió lặng để bù lại phần công suất bị mất trong các trạm phát điện bằng sức gió và những khi các nhà máy nhiệt điện chạy than và nhà máy điện nguyên tử ngừng hoạt động.

Do có giấy phép sử dụng lixăng nguyên thuỷ từ Mark Benson hồi năm 1924, Hãng Siemens trong suốt nhiều năm nay luôn quan tâm đến công nghệ đó và đã thấy được nhu cầu áp dụng nguyên lý này sao cho phù hợp với lò hơi thu hồi nhiệt. Cottam là nơi thử nghiệm của bản thiết kế trong vận hành thương mại, và đến mùa đông 2004 – 2005, lixăng đã được chuyển giao cho các nhà chế tạo lò hơi trên thế giới. Hãng Siemens đã thấy rõ nhu cầu về khả năng khởi động nhanh mà lò Benson có thể đạt được trong khi đó những lò nằm ngang tuần hoàn tự nhiên thì lại không. Sau khi sáp nhập hãng Westinghouse năm 1998, hãng Siemens đã thấy được những khó khăn rắc rối của các tổ máy chu trình hỗn hợp của Westinghouse dựa trên các lò hơi gia nhiệt lại kiểu W501F với ba cấp áp suất khi làm việc ở áp suất trên 120 bar.

Khởi động nhanh

Từ đó, hãng Siemens đã triển khai các hệ thống điều khiển cho việc khởi động từ trạng thái ấm sau khi ngừng 8 giờ ban đêm (thấp điểm phụ tải của hệ thống điện) để đạt được nhiệt độ tốt hơn cho các đường ống và thân máy tuabin hơi, và điều khiển tuabin khí sao cho có thể mang tải nhanh chóng. Ngay sau khi có đủ hơi nước, tuabin hơi bắt đầu quay. Tuabin khí không phải chờ đợi ở chế độ non tải, phát thải nhiều hơn để tuabin hơi khởi động. Mà bởi vì hiệu suất đạt được cao hơn trong thời gian khởi động nên tiết kiệm được nhiên liệu.

Hệ thống khởi động nhanh đã được ứng dụng cho một số tổ máy tuabin khí chu trình hỗn hợp SGT5 - 4000F ở châu Âu. Đó là một giải pháp kỹ thuật đối với các nhà máy điện được trang bị các lò hơi thu hồi nhiệt kiểu nằm ngang, tuần hoàn tự nhiên vận hành ở áp suất hơi cao. Nhưng cũng có các chu trình hỗn hợp khác với các lò hơi thu hồi nhiệt kiểu đứng, chúng là loại khởi động nhanh tự nhiên. Những lò hơi kiểu đứng này vốn có quán tính thấp hơn do các ống được bố trí nằm ngang qua đường khói và được đỡ trên các tấm đỡ ống treo từ đỉnh khung lò. Các ống cũng có thành mỏng hơn bởi vì, khác với kiểu thiết kế nằm ngang, ống không treo từ bao hơi hoặc bộ góp ống và phải chịu trọng lực của bản thân.

Nước Bỉ, với trên 50% điện năng cung cấp từ các nhà máy điện hạt nhân, cũng đã lắp đặt các nhà máy điện TBKHH được thiết kế để vận hành theo phụ tải. Các nhà máy điện TBKHH Gent Ringvaart, Baudour, Vilvoorde, Brugge Herdersbrug, Drogenbos, Seraing và Angleur đều có các lò hơi thu hồi nhiệt kiểu đứng do CMI cung cấp, và vận hành ở chế độ "lưng" biểu đồ phụ tải. Đó là các lò hơi kiểu bao hơi truyền thống với tuần hoàn hỗ trợ và hai cấp áp suất hơi, riêng các nhà máy điện Gent Ringvaart và Baudour được trang bị các tuabin khí do GE chế tạo kiểu F9A, có ba cấp áp suất hơi và quá nhiệt trung gian, các lò hơi thu hồi nhiệt  đứng, tuần hoàn tự nhiên.

Nhà máy điện TBKHH Gent Ringvaart được đưa vào vận hành tháng 11/1997, thời kỳ đầu chạy đáy, nhưng những năm gần đây vận hành ở chế độ thay đổi: chạy đáy vào cao điểm mùa đông, còn vào những thời gian khác thì chạy lưng, những ngày trong tuần chỉ chạy 50% phụ tải vào ban đêm và ngừng hoạt động 36 giờ trong những ngày cuối tuần (weekends).

Có lẽ các chu trình hỗn hợp linh hoạt nhất đang hoạt động là các tổ máy với tuabin khí GT24 ở Bắc Mỹ, trong số đó 42 tổ máy đang vận hành, trong đó có 10 tổ máy ở Mêhicô và một tổ máy ở Canađa. Trong số 31 tổ máy còn lại ở Mỹ thì 10 tổ máy đặt ở New England dưới quyền điều độ của Lưới điện quốc gia Mỹ, đặt ở Boston.

Tất cả các nhà máy điện này đều được xây dựng theo thiết kế tiêu chuẩn do ABB nghiên cứu triển khai với sự tư vấn kỹ thuật của American National Power, chuyên dùng cho thị trường nhà máy điện thương mại với khả năng đạt hiệu suất cao và khởi động nhanh. Ngoài lò hơi kiểu hai cấp áp suất của Benson với đầu ra cao áp 160 bar, 560 ^oC và một bao hơi hạ áp vận hành ở áp suất 7 bar, 320 ^oC, khía cạnh đặc biệt nữa là tuabin hơi hai tốc độ xilanh cao áp vận hành với tốc độ 8.900 vòng/phút và hạ áp ở 3.600 vòng/phút, điều đó cho phép đạt thêm khoảng 1% hiệu suất ròng, nhờ tối ưu hóa thiết kế cánh cao áp. Hiệu suất tổng cộng của toàn nhà máy điện là 57,5%, như vậy tương thích với các tổ máy GT26 công suất lớn hơn trên thị trường các tổ máy 50 Hz sử dụng lò hơi kiểu bao hơi truyền thống vận hành ở áp suất thấp hơn.

Với lò hơi trực lưu, không có bao hơi cao áp và thể tích nước nhỏ hơn nhiều và do đó quán tính nhiệt thấp. Khi khởi động lò ở trạng thái ấm sau một đêm dừng lò, tổ máy với tuabin khí GT24 chỉ cần thời gian không đầy một tiếng đồng hồ kể từ khi khởi động đã có thể mang đầy tải. Những nhà máy điện này vận hành chủ yếu ở chế độ "lưng" của biểu đồ phụ tải, khởi động và dừng máy hằng ngày theo sự điều độ.

Có hai dự án ở Bắc Mỹ với các lò thu hồi nhiệt kiểu đứng, có bao hơi, thuộc sở hữu của EdF International: Nhà máy điện Rio Bravo ở Bắc Mêhicô, cách biên giới Mỹ 60 km về phía Nam, gồm ba tổ máy với hai tuabin khí kiểu SGTG-5000F công suất đơn vị 570 MW và một tuabin hơi công suất 210 MW. Các lò hơi thu hồi nhiệt kiểu đứng được lựa chọn để đảm bảo phụ tải cao cho điều hòa không khí về mùa hạ và phụ tải thấp hơn thay đổi cho thời gian còn lại trong năm. Hãng CMI (Cockeril Mechanical Industries) cung cấp sáu lò thu hồi nhiệt có gia nhiệt lại, ba áp suất hơi với đầu ra cao áp 133 bar, 566 ^oC.

Chu trình hỗn hợp còn lại đặt tại Brighton Beach (Canađa) gần Windsor, Ontario. Công ty sản xuất điện Ontario có nhu cầu vận hành linh hoạt và các lò hơi thu hồi nhiệt kiểu đứng, tuần hoàn tự nhiên có đốt bổ sung, do hãng Austrian Energy cung cấp. Nhà máy điện có hai tuabin khí 7FA và một tuabin hơi 200 MW, hơi phía đầu ra cao áp 136 bar, 567 ^oC khi đốt bổ sung đầy đủ.

Các giải pháp kỹ thuật

Tính linh hoạt của chu trình hỗn hợp rốt cuộc phụ thuộc vào kiểu lò hơi và quán tính nhiệt của nó. Áp suất hơi cao đóng góp vào việc tăng hiệu suất. Nhiều chu trình hỗn hợp hiện đang vận hành đã được xây dựng để chạy đáy ở thời kỳ giá nhiên liệu thấp, các nhà máy này cần có giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao tính năng khởi động.

Đặc biệt ở châu Âu, các chu trình hỗn hợp cũ với các lò hơi kiểu đứng có quán tính nhiệt thấp nên tự chúng có khả năng điều chỉnh theo phụ tải và đảm nhiệm việc điều tần. Nhưng cũng có nhiều kinh nghiệm với các lò kiểu trực lưu, đặc biệt ở Mỹ, các lò này cũng có những khả năng linh hoạt tương tự.

Trong tương lai, với sự tăng trưởng năng lượng gió và sự trở lại của năng lượng hạt nhân cho phụ tải đáy, các nhà máy điện TBKHH sẽ là giải pháp tốt nhất để chạy lưng và điều tần, với yêu cầu cao về tính linh hoạt và hiệu suất cao.