Tính toán thay thế các tuabin cao áp/trung áp Nhiều nhà sản xuất điện ở Mỹ đang cố kéo dài tuổi thọ hữu ích của các nhà máy điện hiện có vì như vậy có lợi hơn về kinh tế so với các phương án khác. Có nhiều lý do để trì hoãn, hủy bỏ hoặc thậm chí cân nhắc lại các dự án nguồn điện đã lên kế hoạch và trong tương lai, trong đó trước tiên phải kể đến các vấn đề về môi trường, cấp phép bị trì hoãn, sự phản đối của công luận và chi phí xây dựng. Nhìn chung các nhà máy điện ở Mỹ đang xuống cấp, nhiều nhà máy đã vận hành từ 30 năm nay, thậm chí còn lâu hơn. Để kéo dài tuổi thọ các nhà máy xuống cấp này, các nhà sản xuất điện đang cải tạo hoặc thay thế các hệ thống và trang thiết bị cũ hơn để kéo dài tuổi thọ, nâng cao hiệu suất, giảm phát thải, tiết kiệm tiền và cố gắng sản xuất điện từ những tài sản này. Vì các công nghệ mới được phát triển trong những năm gần đây nên các thiết bị thay thế có hiệu suất cao hơn so với thiết bị hiện có, ngay cả khi còn mới nguyên. Tuy nhiên, liệu công nghệ mới này có nâng cao được hiệu suất của cả nhà máy hay không? Và điều không kém phần quan trọng, nó sẽ ảnh hưởng ra sao đến các hệ thống và các bộ phận hợp thành cũ hơn của nhà máy? Để xác định thiết bị mới sẽ hoạt động và tương tác ra sao với thiết bị cũ hiện có trước khi ký kết bất kỳ hợp đồng nào, các nhà sản xuất điện đang sử dụng các công nghệ phân tích nhiều khi vượt quá các công nghệ được các nhà chế tạo thiết bị chào mời. Những kiểm tra độc lập này đã tỏ ra rất có giá trị đối với các nhà sản xuất điện và đã phát hiện một số kết quả đáng kinh ngạc. Lấy một ví dụ về việc thay thế thiết bị tại một nhà máy đã cũ. Năm 2007, một công ty điện lực lớn ở Mỹ đã tìm đến giải pháp thay thế các tuabin cao áp (CA) và trung áp (TA) cho một trong các tổ máy chạy than công suất 300 MW để nâng cao hiệu suất và tăng sản lượng điện của nhà máy “mà không phải đốt thêm một cân than”, như một quan chức của công ty điện lực đó đã từng phát biểu. Các hồ sơ mời thầu đã được gửi đến nhiều hãng chế tạo tuabin khác nhau, trong đó có hai hãng trả lời và đưa ra các đề xuất. Để kiểm tra tính năng mà mỗi hãng đưa ra và để xác định ảnh hưởng của các tuabin mới đến phần còn lại của tổ máy, công ty điện lực đã sử dụng chương trình phần mềm cân bằng nhiệt PEPSE (đánh giá tính năng hiệu quả của hệ thống điện), bằng cách áp dụng một mô hình mô phỏng PEPSE đối với tuabin và các hệ thống lò hơi của tổ máy. Dựa trên các kết quả của phân tích PEPSE đối với các tuabin được chào bán, các đề xuất của các hãng chế tạo tuabin quả thực đã đáp ứng các giá trị đảm bảo về tính năng của họ. Tuy nhiên, vì các tuabin mới có hiệu suất cao hơn so với các tuabin CA và TA có sẵn, nên chúng thu được nhiều năng lượng hơn từ hơi nước so với các tuabin CA và TA đang vận hành, vì vậy năng lượng còn lại dành cho tuabin HA ở phía sau lại ít hơn. Kết quả là tăng công suất ra của các tuabin CA và TA, nhưng lại giảm công suất ra của tuabin HA. Mặc dầu công suất tổng của cả tổ máy có cao hơn, nhưng lại thấp hơn so với dự kiến sau khi trừ đi phần giảm công suất ra của tuabin HA giờ đây bị thiếu hơi. Người ta đã tiến hành thêm một số phân tích PEPSE. Trong đó có phân tích trường hợp phục hồi các tuabin CA và TA thay vì sử dụng các tuabin mới. Đúng như dự kiến, các tuabin phục hồi có hiệu suất không cao bằng và cũng không phát được thêm nhiều điện như các tuabin mới được đề xuất, nhưng chi phí so với các tuabin mới thì thấp hơn đáng kể. Sau cùng, đã phân tích việc tăng diện tích bề mặt lò hơi khác nhau cho các bộ phận quá nhiệt (sơ cấp và thứ cấp), gia nhiệt lại và bộ hâm khi sử dụng các tuabin mới. Công ty điện lực đã tiến hành phân tích chi phí/lợi ích dựa trên các kết quả PEPSE. Ba phương án lựa chọn của họ đối với tuabin bao gồm: 1) Không làm gì cả, 2) Thay thế các tuabin CA và TA bằng các tuabin mới và 3) Phục hồi các tuabin CA và TA. Các lựa chọn khác nhau của họ về diện tích bề mặt lò hơi bao gồm việc tăng diện tích bề mặt quá nhiệt, gia nhiệt lại và/hoặc bộ hâm. Các kết quả phân tích về chi phí/lợi ích này đã khuyến khích phục hồi các tuabin ở lần sửa chữa lớn tiếp theo thay vì thay thế thiết bị mới. Hơn nữa, công ty điện lực sẽ không tăng diện tích bề mặt lò hơi. Tổ máy Tổ máy đang xét là một trong các tổ máy của nhà máy điện. Tổ máy này được thiết kế để sản xuất 310 MW điện ở điều kiện đầy tải, năng suất hơi mới là 2 x 106 lb/hr (2 x 48 kg/h), nhiệt độ hơi mới là 1.050 F (566oC), áp suất hơi mới là 2.400 psig (169 kg/cm2) và nhiệt độ gia nhiệt lại là 1.000 F (538oC). Tổ máy được đưa vào hoạt động lần đầu tiên vào đầu năm 1970. Lò hơi tiếp tục hoạt động theo thiết kế ban đầu của Combustion Engineering. Lò hơi đốt than bột được mua từ nhiều nguồn, theo các hợp đồng có thời hạn và trên thị trường giao ngay. Các tuabin CA, TA và HA hiện nay là do General Electric chế tạo. Tổ máy bố trí các tuabin kiểu chéo nhau, các tuabin CA và TA lưu trình đơn nối với máy phát điện có tần số quay 3.600 vòng/phút và một tuabin HA lưu trình kép nối với máy phát điện có tần số quay 1.800 vòng/phút. Có 7 bộ gia nhiệt nước cấp trong chu trình. Vấn đề Các tuabin CA và HA nguyên thủy trong nhà máy được chế tạo từ đầu những năm 1970 nên nhiệm vụ chính hiện nay là nâng cấp hoặc thay thế các tuabin này. Tính năng giảm sút và yêu cầu tăng cường bảo dưỡng là các yếu tố chính khiến người ta phải quan tâm nhiều hơn đến các tuabin này. công nghệ tuabin mới đưa ra hiệu suất cao hơn, cộng với các vấn đề về môi trường và chi phí năng lượng ngày càng cao, cũng đã góp phần vào quyết định thăm dò các phương án lựa chọn đối với các tuabin. Đợt sửa chữa lớn dự kiến vào năm 2010, như vậy sẽ có đủ thời gian chuẩn bị lập kế hoạch dự án cũng như lắp đặt các tuabin mới. Giải pháp Đầu năm 2007, công ty điện lực đã mời nhiều hãng chế tạo tuabin gửi các đề xuất về yêu cầu thay thế các tuabin CA và TA. Hai nhà sản xuất tuabin cũng là các nhà sản xuất thiết bị nguyên thủy (OEM), đã trả lời kèm theo bảng giá và yêu cầu kỹ thuật về tính năng của các tuabin mới được đề xuất. Đối với cả hai nhà chế tạo thì yêu cầu kỹ thuật về tính năng quan trọng nhất là biểu đồ cân bằng nhiệt. Biểu đồ này thể hiện các tuabin CA và HA mới. Tuy nhiên, tính năng của các thành phần và hệ thống khác, kể cả các điều kiện biên của hệ thống vẫn được giữ nguyên như biểu đồ cân bằng nhiệt của hãng cung cấp tuabin nguyên thủy thời những năm 1970. Mặc dù biểu đồ cân bằng nhiệt có thể là cơ sở đảm bảo cho các nhà chế tạo tuabin, nhưng nó không phản ảnh tương xứng cách thức các tuabin mới sẽ hoạt động trong nhà máy hiện nay. Thường thì tính năng của các thành phần trong nhà máy sẽ không còn như trước, do bị xuống cấp hoặc do được thay thế qua tháng năm. Các điều kiện biên của chu kỳ tuabin, ví dụ như các thông số hơi cũng có thể khác đi do cùng nguyên nhân. Các điều kiện khác có thể cũng đã thay đổi do nhiều nguyên nhân khác nhau. Đánh giá Tính năng thực tế của tuabin và nhà máy chỉ có thể biết được sau khi lắp đặt và thử nghiệm trong nhà máy. Tuy nhiên, có thể tính toán khá chính xác tính năng đó bằng cách tiến hành phân tích hệ thống, sử dụng một trong các chương trình cân bằng nhiệt có bán sẵn trên thị trường. Công ty điện lực đã lựa chọn PEPSE vì từ lâu họ đã gắn bó với chương trình phần mềm này. PEPSE là một chương trình phần mềm cân bằng năng lượng trạng thái ổn định giúp tính toán tính năng của nhà máy. Quá trình phân tích nhà máy này được thực hiện bằng cách sử dụng một mô hình mô phỏng cấu hình thật của nhà máy. Mô hình được phát triển trên nền giao diện Windows, bằng cách kéo và thả trên màn hình các biểu tượng thành phần của nhà máy được lấy từ thư viện các thành phần. Thư viện này chứa tất cả các kiểu thành phần có trong nhà máy điện bất kỳ, trong đó có các hệ thống chu trình tuabin trong nhà máy điện hạt nhân, nhà máy điện đốt nhiên liệu hóa thạch, lò hơi đốt nhiên liệu hóa thạch, tuabin khí, nhà máy chu trình hỗn hợp, nhà máy sản xuất kết hợp điện và nhiệt và bất kỳ hệ thống hơi công nghệ hoặc hệ thống chất lỏng nào khác. Các mô hình PEPSE của chu trình tuabin và lò hơi của tổ máy này đã có từ nhiều năm nay. Tuy nhiên, chúng đã được sửa đổi phục vụ quá trình phân tích cho phù hợp với các dữ liệu hiện tại của nhà máy. Với PEPSE, các mô hình này được phát triển và điều chỉnh tách rời nhau, sau đó được kết hợp bằng cách sử dụng một trong các tính năng đặc biệt của PEPSE. Mô hình thứ hai được phát triển để phục vụ nghiên cứu này - đó là một mô hình con riêng cho các tuabin CA và TA (xem hình 2). Mô hình con này cho phép phân tích đầu vào và điều chỉnh tính năng công bố của tuabin tại mỗi OEM, không hề ảnh hưởng đến các thành phần và hệ thống khác trong chu trình. Lưu ý rằng các thành phần và hệ thống khác này đã được giữ nguyên không thay đổi trong các cân bằng nhiệt chu trình tuabin mới do các OEM đề xuất, so với cân bằng nhiệt nguyên thủy. Sau khi vận hành và điều chỉnh các tuabin bằng cách sử dụng mô hình con này, các tham số điều chỉnh được chuyển tới mô hình tuabin chính. Kết quả là có được mô hình PEPSE của các lò hơi và các chu trình tuabin của tổ máy đã được điều chỉnh về các dữ liệu hiện tại của nhà máy, nhưng sử dụng các tuabin mới mà mỗi OEM đề xuất. Kết quả Các kết quả phân tích PEPSE cho thấy các tuabin thay thế của cả hai nhà sản xuất OEM đều hoạt động như đề xuất. Tuy nhiên, các tuabin mới thu được nhiều năng lượng từ hơi nước hơn so với các tuabin nguyên thủy, dẫn đến tuabin LP bị thiếu năng lượng. Điều này khiến đầu ra của tuabin LP bị giảm. Hiệu quả ròng của việc thay thế bằng tuabin của cả hai nhà sản xuất OEM so với vận hành các tuabin hiện nay trong nhà máy là công suất phát điện của các tuabin CA và TA lên khoảng 11 MW, nhưng công suất của tuabin LP lại giảm đi khoảng 5 MW. Do đó hiệu quả ròng là tăng được khoảng 6 MW. Các kết quả này cho thấy lượng tăng công suất ròng tổng của nhà máy là nhỏ, khiến cho dự án thay thế tuabin xem ra kém hấp dẫn hơn nhiều so với dự kiến ban đầu. Các kết quả được tóm tắt trong bảng 1, cột B và C tương ứng với tuabin của hai nhà sản xuất được so sánh với tuabin đang vận hành hiện nay ở cột A. Vì chưa muốn loại bỏ ngay dự án thay thế tuabin, công ty điện lực đã gợi ý một số thay đổi khác nhau về lò hơi và tiến hành khảo sát bằng cách sử dụng PEPSE. Phương án thiết thực nhất là tăng diện tích bề mặt của một số phân đoạn lò hơi, với mong muốn truyền nhiều năng lượng hơn từ lò hơi tới chu trình tuabin thông qua hơi mới và gia nhiệt lại, chuyển tổn thất năng lượng sang tuabin HA. Mô hình PEPSE lại được sử dụng, lần này là để khảo sát việc tăng diện tích bề mặt quá nhiệt lò hơi (cả sơ cấp và thứ cấp), gia nhiệt lại và của bộ hâm cùng với việc thay thế tuabin. Như vậy trong mô hình lò hơi PEPSE, phải bổ sung một số dãy ống cho các phân đoạn lò hơi. Đã khảo sát các trường hợp tăng từ 5 đến 25%. Trên thực tế, hầu như không thể tăng 25 % do hạn chế về không gian của lò hơi. Giới hạn thực tế 10% được coi là hiện thực hơn và đã được sử dụng làm cơ sở so sánh. Việc tăng số hàng ống của mỗi phân đoạn lò hơi được phân tích riêng rẽ; tức là không có hai phân đoạn nào được tăng đồng thời. Việc tăng số hàng ống của lò hơi được phân tích theo hai phương án riêng biệt. Phương án thứ nhất là không khống chế nhiệt độ quá nhiệt hay gia nhiệt lại; tức là dòng nhiên liệu vẫn giữ nguyên không đổi như trong vận hành nhà máy hiện nay ở 100 % phụ tải. Ở phương án thứ hai, dòng nhiên liệu được điều chỉnh để duy trì khống chế nhiệt độ tại các giá trị thiết kế ban đầu: nhiệt độ hơi mới là 1.050 F (566oC) và nhiệt độ gia nhiệt là 1.000 F (538oC). Các kết quả phân tích PEPSE về tăng bề mặt lò hơi cùng với việc sử dụng các tuabin mới được đề xuất cho thấy công suất nguồn điện chỉ tăng được rất ít, khoảng 1 MW hoặc ít hơn, so với trường hợp chỉ sử dụng các tuabin mới. Các kết quả đối với loại lò hơi không khống chế nhiệt độ được thể hiện ở bảng 2 (của nhà chế tạo OEM-1) và bảng 3 (của nhà chế tạo OEM-2). Các kết quả đối với loại lò hơi có khống chế nhiệt độ được nêu ở bảng 4 (chỉ với nhà chế tạo OEM-1). Các kết quả nghiên cứu diện tích bề mặt lò hơi không khẳng định được việc thay thế tuabin là khả thi. Một phân tích nữa đã được thực hiện với mô hình PEPSE, lần này là phục hồi các tuabin CA và TA, thay vì sử dụng các tuabin mới. Phục hồi tuabin là phương án chi phí thấp hơn/lợi ích thấp hơn so với thay mới tuabin. Các đặc tính về tính năng của tuabin dựa trên những ước tính tốt nhất của công ty điện lực về các tuabin sau khi phục hồi (hiệu suất 83,5% đối với tuabin CA, và 90% đối với tuabin TA) đã được sử dụng trong mô hình PEPSE. Nếu chỉ sử dụng các tuabin phục hồi (không thay đổi bề mặt lò hơi), thì các kết quả của mô hình PEPSE cho thấy công suất tổng của tuabin CA và TA tăng khoảng 4 MW và công suất của tuabin LP giảm khoảng 2 MW, kết quả là công suất ròng tăng khoảng 2 MW. Kết quả được trình bày tại cột B, bảng 5. Dữ liệu tương ứng về tuabin vận hành hiện nay được hiển thị tại cột A. Cuối cùng, tiếp tục phân tích PEPSE với việc sử dụng các tuabin phục hồi này, có khống chế nhiệt độ về các giá trị thiết kế ban đầu: nhiệt độ hơi mới là 1.050F (566 o C) và nhiệt độ gia nhiệt là 1.000 F (538 o C). Các kết quả được thể hiện tại cột C, bảng 5. Đưa ra quyết định Sau khi đưa vào tất cả các số liệu về tính năng và phân tích tất cả các kịch bản có thể thực hiện, vấn đề còn lại là qui ra tiền để xác định chi phí/lợi ích tốt nhất. Về chi phí đầu tư, thay thế các tuabin CA và TA tốn khoảng 12 triệu USD. Phục hồi các tuabin thay vì thay thế chúng tốn khoảng 1,5 triệu USD. Còn không làm gì thì chi phí là 0 USD. Sau khi phân tích cẩn thận và chi tiết, công ty điện lực quyết định phục hồi các tuabin vào sửa chữa lớn tiếp theo. Không tăng diện tích bề mặt lò hơi. Bảng 1. So sánh các kết quả của hãng cung cấp với tuabin đang vận hành Bảng 2. Kết quả khi tăng bề mặt lò hơi, không khống chế nhiệt độ Bảng 3. Kết quả khi tăng bề mặt lò hơi, không khống chế nhiệt độ Bảng 4. Kết quả khi tăng bề mặt lò hơi, có khống chế nhiệt độ Bảng 5. So sánh các tuabin CA/TA phục hồi với các tuabin đang vận hành . Tính toán thay thế các tuabin cao áp/ trung áp Nhiều nhà sản xuất điện ở Mỹ đang cố kéo dài tuổi thọ hữu ích của các nhà máy điện hiện. Mỹ đã tìm đến giải pháp thay thế các tuabin cao áp (CA) và trung áp (TA) cho một trong các tổ máy chạy than công suất 300 MW để nâng cao hiệu suất và tăng