ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ - BỘ MÔN CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH LUẬN VĂN TỐT NGHỆP TÍNH TOÁN XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT ĐIỆN CHO CÔNG TY DỆT MAY (CALCULATION AND SETTING UP A COGENERATION UNIT FOR THE TEXTILE COMPANY) SVTH: Lê Anh Duy MSSV: 1410560 GVHD: TS. Nguyễn Văn Tuyên TP Hồ Chí Minh, 2019 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC ----****---ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM ----****---- TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Số:……………/BKĐT NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KHOA: CƠ KHÍ BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH SINH VIÊN: LÊ ANH DUY MSSV: 1410560 LỚP: CK14NH2 1. Đầu tài luận văn: TÍNH TOÁN XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT ĐIỆN CHO CÔNG TY DỆT MAY (CALCULATION AND SETTING UP A COGENERATION UNIT FOR THE TEXTILE COMPANY) 2. Nhiệm vụ: Tính toán xây dựng hệ thống đồng phát nhiệt điện bao gồm các phần: Giới thiệu về hệ thống đồng phát và hiện trạng công nghệ đồng phát Việt Nam. Nghiên cứu đề xuất sơ đồ hệ thống đồng phát cho công ty Dệt may. Lựa chọn thông số và tính toán sơ đồ nhiệt. Tính toán lựa chọn các thiết bị phụ gồm lò hơi, quạt, ống khói, bình phân ly, bình trao đổi nhiệt. So sánh hiệu quả năng lượng. 3. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 21/02/2019 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 05/06/2019 4. Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn: TS. NGUYỄN VĂN TUYÊN 100% Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ môn. Ngày……Tháng…….Năm 20… NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ):………………………. Đơn vị:………………………………………….... Ngày bảo vệ:……………………………………... Điểm tổng kết:…………………………………… Nơi lưu trữ luận văn:……………………………. ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -----------------------------------------Khoa: Cơ Khí Bộ môn: Công Nghệ Nhiệt Lạnh CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -----------------------------------Tp. HCM, ngày …… tháng …… năm 20… PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP (Dành cho giáo viên hướng dẫn) 1. Họ Và Tên: LÊ ANH DUY MSSV: 1410560 Ngành: Kỹ thuật Nhiệt Lớp: CK14NH2 2. Đề tài luận văn: TÍNH TOÁN XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT ĐIỆN CHO CÔNG TY DỆT MAY (CALCULATION AND SETTING UP A COGENERATION UNIT FOR THE TEXTILE COMPANY) 3. Giáo viên hướng dẫn: TS. NGUYỄN VĂN TUYÊN 4. Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang: 69 Số chương: 05 Số tài liệu tham khảo: 21 Số hình vẽ: 37 5. Nhận xét của giáo viên hướng dẫn: ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… iii ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… 6. Đề nghị: Được bảo vệ: Bổ sung thêm để bảo vệ: Không được bảo vệ: 7. Đánh giá chung (bằng chữ: Giỏi, Khá, Trung Bình):…………. Điểm:…../10 Ký tên (Ghi rõ họ tên) iv ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ----------------------------------------------------------------------------Khoa: Cơ Khí Tp. HCM, ngày …… tháng …… năm 20… Bộ môn: Công Nghệ Nhiệt Lạnh PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP (Dành cho giáo viên phản biện) 1. Họ Và Tên: LÊ ANH DUY MSSV: 1410560 Ngành: Kỹ thuật Nhiệt Lớp: CK14NH2 2. Đề tài luận văn: TÍNH TOÁN XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT ĐIỆN CHO CÔNG TY DỆT MAY (CALCULATION AND SETTING UP A COGENERATION UNIT FOR THE TEXTILE COMPANY) 3. Giáo viên phản biện:……………………………………………………………… 4. Tổng quát về bản thuyết minh: Số trang: 69 Số chương: 05 Số tài liệu tham khảo: 21 Số hình vẽ: 37 5. Nhận xét của giáo viên phản biện: …………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… v ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… 6. Đề nghị: Được bảo vệ: Bổ sung thêm để bảo vệ: Không được bảo vệ: 7. Đánh giá chung (bằng chữ: Giỏi, Khá, Trung Bình):…………. Điểm:…../10 Ký tên (Ghi rõ họ tên) vi LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được cuốn luận văn với đề tài “Tính toán xây dựng hệ thống đồng phát nhiệt điện cho công ty Dệt may”, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân đã vận dụng những kiến thức tiếp thu được, tìm tòi học hỏi cũng như thu thập thông tin số liệu liên quan đến đề tài, em luôn nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô, bạn bè. Em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy Nguyễn Văn Tuyên giáo viên bộ môn Công nghệ Nhiệt Lạnh đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tận tình, hướng dẫn cũng như cung cấp cho em những kiến thức sâu rộng là nền tảng nghiên cứu đề tài này, không chỉ vậy còn chỉ bảo em chau chuốt từng câu chữ để hoàn thành luận văn này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn rất nhiều đến quý thầy cô bộ môn, những giáo viên nhiệt tình đã cho em không chỉ về những kiến thứ chuyên môn mà còn những bài học, kỹ năng trong cuộc sống trong suốt những năm qua, giúp em vững bước trong con đường sau này. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bố mẹ em và những người bạn, những người luôn ở bên cạnh em ủng hộ, giúp đỡ em có thời gian nghiên cứu đề tài và hết lòng hỗ trợ em về mặt tinh thần trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Trong quá trình thực hiện luận văn, mặc dù đã cố gắng hoàn thiện đề tài qua tham khảo tài liệu, trao đổi và tiếp thu ý kiến đóng góp nhưng chắc chắn không tránh khỏi những sai sót. Vì vậy em rất mong nhận được và chân thành cảm ơn các ý kiến đóng góp của Quý Thầy, Cô và bạn đọc. TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2019 Lê Anh Duy vii TÓM TẮT LUẬN VĂN TÍNH TOÁN XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT ĐIỆN CHO CÔNG TY DỆT MAY Luận văn này gồm 5 chương với những nội dung như sau: - Tìm hiểu về nhu cầu và hiện trạng năng lượng Việt Nam. - Giới thiệu hệ thống đồng phát. - Tìm hiểu hiện trạng phát triển công nghệ đồng phát ở nước ta và đối tượng áp dụng công nghệ đồng phát. - Nghiên cứu đề xuất sơ đồ hệ thống đồng phát cho công ty Dệt may. - Lựa chọn thông số và tính toán sơ đồ nhiệt: + Chọn kiểu tuabin và các thông số hơi từ nhà sản xuất. + Tính toán lưu lượng và thông số hơi + Tính toán hệ thống bơm cấp, bơm ngưng - Tính toán lựa chọn các thiết bị: + Chọn lò hơi và tính toán các thiết bị phụ trợ hệ thống lò hơi gồm: quạt hút, quạt ...gió, ống khói. + Tính toán các thiết bị: bình phân ly, bình gia nhiệt nước bổ sung. - Tính toán, so sánh hiệu quả chi phí năng lượng. viii MỤC LỤC Trang bìa i Nhiệm vụ luận văn ii Nhận xét giáo viên hướng dẫn iii Nhận xét giáo viên phản biện v Lời cảm ơn vii Tóm tắt luận văn viii Mục lục ix Danh sách hình vẽ xii Danh sách bảng biểu xiv Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT ĐIỆN....................... 1 1.1 Nhu cầu và hiện trạng năng lượng trong công nghiệp ..................................... 1 1.1.1 Điện năng .............................................................................................. 2 1.1.2 Nhiệt năng ............................................................................................. 4 1.1.3 Vấn đề phát thải trong sản xuất năng lượng ..........................................6 1.1.4 Cơ hội phát triển công nghệ đồng phát .................................................7 1.2 Khái niệm về Đồng phát ................................................................................... 8 1.3 Ưu điểm của Đồng phát .................................................................................. 10 1.4 Hiện trạng công nghệ Đồng phát ở Việt Nam ................................................ 11 1.4.1 Ngành công nghiệp mía đường ........................................................... 11 1.4.2 Khu công nghiệp quy mô lớn – Formosa ............................................14 1.4.3 Nhà máy giấy Bãi bằng .......................................................................15 Chương 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT ............... 17 2.1 Đối tượng áp dụng .......................................................................................... 17 2.1.1 Tổng quan về Công ty Dệt may A .......................................................18 ix 2.2 Tình hình sử dụng và cung cấp năng lượng tại công ty A .............................. 20 2.2.1 Tình hình sử dụng và cung cấp nhiệt năng..........................................20 2.2.2 Tình hình sử dụng và cung cấp điện năng ...........................................25 2.3 Đề xuất phương án Đồng phát nhiệt điện ........................................................ 27 2.3.1 Các phương án đề xuất ........................................................................27 2.3.2 Lựa chọn sơ đồ hệ thống Đồng phát cho Công ty Dệt may A ............30 Chương 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT .................... 32 3.1 Thông số hơi ban đầu ....................................................................................... 32 3.2 Thông số hơi sau tuabin và hơi trích ............................................................... 35 3.3 Xác định trạng thái hơi nước trong các tầng tuabin, xây dựng trạng thái……. …..làm việc của hơi trên giản đồ I_s .................................................................... 36 3.4 Xác định lưu lượng các dòng hơi .................................................................... 38 3.4.1 Lưu lượng hơi tại cửa trích 1............................................................... 38 3.4.2 Lưu lượng hơi phân ly từ cửa trích 1 ..................................................39 3.5 Công suất điện của tổ máy .............................................................................. 40 3.6 Tính lưu lượng các dòng phụ .......................................................................... 41 3.7 Công suất bơm ................................................................................................ 43 3.7.1 Bơm cấp............................................................................................... 43 3.7.2 Bơm ngưng .......................................................................................... 44 3.8 Xác định các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của sơ đồ nhiệt .................................... 45 3.9 Xác định kích thước các ống dẫn chính ........................................................... 46 3.9.1 Đoạn ống dẫn hơi từ lò hơi đến tuabin và từ tuabin đến các thiết......... bị trao đổi nhiệt cho nhu cầu sấy, nhuộm, định hình vải ....................47 3.9.2 Đoạn ống dẫn nước ngưng chính ........................................................47 3.9.3 Đoạn ống dẫn nước cấp .......................................................................48 x 3.10 Tóm tắt tính toán sơ đồ nhiệt .......................................................................... 48 Chương 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ ............................................... 50 4.1 Lò hơi .............................................................................................................. 50 4.2 Tính toán một số thiết bị phụ trên đường cấp không khí và thải khói của………... ….lò hơi…… ....................................................................................................... .52 4.2.1 Tính toán quá trình cháy......................................................................52 4.2.2 Tính toán công suất quạt và kích thước ống khói ............................... 58 4.3 Kích thước thiết bị gia nhiệt nước bổ sung bằng nước xả lò ........................... 60 4.4 Tính chọn kích thước bình phân ly .................................................................. 62 4.4.1 Bình phân ly PL1 .................................................................................62 4.4.2 Bình phân ly PL2 .................................................................................65 Chương 5 TỔNG KẾT.................................................................................................. 67 5.1 Kết quả lựa chọn và tính toán phương án Đồng phát ...................................... 67 5.2 So sánh hiệu quả năng lượng ........................................................................... 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 70 xi DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Các lĩnh vực sử dụng năng lượng ở Việt Nam giai đoạn 2010 – 2030, Đơn ………...vị KTOE [9] 2 Hình 1.2 Biểu đồ nguồn cung điện Việt Nam [10] .......................................................3 Hình 1.3 Biểu đồ công suất nguồn điện cả nước 2016-2018 [10] 3 Hình 1.4 Sơ đồ cơ bản hệ thống hơi nước .....................................................................5 Hình 1.5 Phát thải khí nhà kính năm 2010 và dự báo tới năm 2020 và 2030 (Kịch ………..bản thông thường BAU) và mục tiêu 2030 [8]...............................................6 Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống đồng phát ...............................................................................8 Hình 1.7 Hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống đồng phát [12] ................................. 10 Hình 1.8 Quy trình sản xuất của nhà máy mía đường [15] ........................................ 11 Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý, tổ máy VN-1 .................................................................... 14 Hình 2.1 Quy trình công nghệ xưởng dệt nhuộm ....................................................... 19 Hình 2.2 Máy nhuộm vải ............................................................................................ 20 Hình 2.3 Máy sấy vải.................................................................................................. 21 Hình 2.4 Máy căng kim định hình vải ........................................................................ 21 Hình 2.5 Lò hơi nhà máy dệt A (chụp tại hiện trường) .............................................. 22 Hình 2.6 Hình ảnh và sơ đồ nguyên lý hoạt động lò dầu tải nhiệt ............................. 23 Hình 2.7 Tuabin đối áp ............................................................................................... 28 Hình 2.8 Tuabin ngưng hơi có cửa trích .................................................................... 29 Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống Đồng phát ........................................................................... 30 Hình 3.1 Đồ thị t-s thể hiện quá trình tăng nhiệt độ ................................................... 32 Hình 3.2 Đồ thị thể hiện quá trình tăng áp suất .......................................................... 33 Hình 3.3 Thông số ban đầu kết đôi [21] ..................................................................... 34 Hình 3.4 Mặt cắt tuabin đối áp có cửa trích điều chỉnh ............................................. 35 xii Hình 3.5 Đồ thị i-s của hơi trong tuabin ..................................................................... 37 Hình 3.6 Trao đổi nhiệt ở thiết bị trao đổi nhiệt TĐN1 ............................................. 38 Hình 3.7 Bình phân ly PL1 ......................................................................................... 39 Hình 3.8 Trao đổi nhiệt ở thiết bị trao đổi nhiệt TĐN2 ............................................. 40 Hình 3.9 Các dòng hơi phụ ........................................................................................ 41 Hình 3.10 Bình phân ly PL2 ......................................................................................... 42 Hình 3.11 Ví dụ bố trí bơm cấp ................................................................................... 44 Hình 3.12 Ví dụ bố trí bơm ngưng .............................................................................. 45 Hình 3.13 Các thông số cơ bản của hệ thống ............................................................... 48 Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống lò hơi tầng sôi tuần hoàn .................. 50 Hình 4.2 Sơ đồ mặt cắt ngang lò hơi đề xuất ............................................................. 51 Hình 4.3 Nguyên lý hoạt động bình gia nhiệt nước bổ sung ...................................... 61 Hình 4.4 Trao đổi nhiệt bình gia nhiệt nước bổ sung ................................................. 61 Hình 4.5 Biểu đồ chọn bình phân ly (Spirax Sarco) .................................................. 63 Hình 4.6 Thông số kích thước bình phân ly PL1 ....................................................... 64 xiii DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tỷ lệ nhiệt năng/điện năng cùng một số thông số kỹ thuật khác [6] ..............9 Bảng 2.1 Thông tin chung về công ty dệt may A ........................................................ 18 Bảng 2.2 Bảng thông số kỹ thuật lò hơi tầng sôi......................................................... 23 Bảng 2.3 Bảng thông số kỹ thuật lò dầu tải nhiệt........................................................ 25 Bảng 2.4 Tổng kết điện năng tiêu thụ của công ty ...................................................... 26 Bảng 3.1 Vật liệu ứng với nhiệt độ hơi [21]................................................................ 33 Bảng 3.2 Tiêu chuẩn tuabin Hitachi ............................................................................ 34 Bảng 3.3 Các kết quả chính ......................................................................................... 49 Bảng 4.1 Thành phần than cám [12] ........................................................................... 52 Bảng 4.2 Enthalpy của khói thải và khói trong buồng lửa theo nhiệt độ .................... 54 Bảng 4.3 Các tổn thất nhiệt và hiệu suất lò hơi ........................................................... 57 Bảng 5.1 Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật ........................................................................ 67 Bảng 5.2 Bảng so sánh chi phí năng lượng ................................................................ 68 xiv CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT NHIỆN CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT ĐIỆN 1.1 Nhu cầu và hiện trạng năng lượng trong công nghiệp Năng lượng là một ngành kinh tế quan trọng và cơ bản của một quốc gia. Việc phát triển ngành năng lượng kéo theo hàng loạt các công nghiệp khác như cơ khí, sản xuất vật liệu xây dựng... Nhiều lĩnh vực có nhu cầu rất cao về điện năng và nhiệt năng như luyện kim, gia công kim loại, chế biến thực phẩm, hoá chất, dệt... Một nền kinh tế càng phát triển thì càng cần nhiều năng lượng. Thông qua chỉ số tiêu thụ năng lượng bình quân theo đầu người, có thể phán đoán trình độ phát triển kinh tế, kỹ thuật và văn hoá của một quốc gia. Trong những năm gần đây, Việt Nam đã đạt được nhiều thành tựu về kinh tế trong quá trình hội nhập với thế giới. Sự tăng trưởng kinh tế liên tục với tốc độ cao giúp cải thiện mức sống của người dân nước ta cũng làm nhu cầu sử dụng năng lượng tăng lên, dự kiến tới 8,1-8,7% trong giai đoạn 2001-2020. Trong lĩnh vực công nghiệp, nhu cầu tiêu thụ năng lượng tăng nhanh: từ 4,36 triệu tấn dầu quy đổi - TOE (2000) lên 16,29 triệu TOE (2010); 23,74 triệu TOE (2015) và đến 33,12 triệu TOE (2020) [9]. Hình 1.1 Các lĩnh vực sử dụng năng lượng ở Việt Nam giai đoạn 2010 – 2030, Đơn vị: KTOE [9] 1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT NHIỆN Hình 1.1 cho thấy tình hình sử dụng năng lượng ở các lĩnh vực tại Việt Nam (2010 -2030), trong đó công nghiệp và giao thông vận tải là những lĩnh vực tiêu tốn nhiều năng lượng. Năm 2015, tổng năng lượng tiêu thụ toàn quốc của Việt Nam là khoảng 65 triệu TOE. Chiến lược phát triển năng lượng quốc gia đến năm 2020, tầm nhìn đến 2050 đề ra mục tiêu phấn đấu đảm bảo cung cấp năng lượng cho nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội đến năm 2020 đạt khoảng 100-110 triệu TOE năng lượng sơ cấp, khoảng 310-320 triệu TOE vào năm 2050. Tuy nhiên, một trong những lí do khiến tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng là hiệu quả sử dụng năng lượng của Việt Nam còn thấp. Hiện nay, để tạo ra 1000USD GDP, Việt Nam phải tiêu tốn 600kg dầu tương đương. Con số này hiện đang cao gấp 1,5 lần so với Thái Lan và gấp 2 lần mức bình quân của thế giới. Như vậy, năng lượng bao gồm điện năng và nhiệt năng là lĩnh vực đang rất được quan tâm ở nước ta hiện nay với những cơ hội phát triển và thách thức không nhỏ. 1.1.1 Điện năng Trong ngành năng lượng, điện năng chiếm phần lớn trong nhu cầu năng lượng, theo báo cáo của EVN, cùng với sự phát triển của các ngành kinh tế quốc dân, ngành năng lượng, điện lực đã có bước phát triển nhanh, về cơ bản đảm bảo nhu cầu năng lượng cho phát triển kinh tế - xã hội. Tiêu thụ điện trong những năm gần đây tăng với tốc độ cao, bình quân 12,04 %/năm trong giai đoạn 2003-2018, điện thương phẩm năm 2018 đạt 192,1 tỷ kWh, tăng 5,5 lần so với năm 2003 (34,9 tỷ kWh) [13] Theo dự báo từ nay đến năm 2030, nhu cầu sử dụng điện sẽ tiếp tục tăng trưởng ở mức cao. Trong bối cảnh nền kinh tế nước ta đang chuẩn bị các điều kiện bước vào giai đoạn công nghiệp hóa - hiện đại hóa, ngành điện cần phải đảm bảo sản xuất 265-278 tỷ kWh vào năm 2020 và khoảng 572-632 tỷ kWh vào năm 2030 [13]. Biểu đồ hình 1.2 thể hiện tình hình nguồn cung điện và dự phóng theo Quy hoạch điện VII cho thấy nhu cầu điện tăng mạnh trong giai đoạn 2015 đến 2030, tăng trưởng mạnh mẽ về quy mô và có sự chuyển dịch trong cơ cấu tiêu thụ do ảnh hưởng sự phát triển của nhóm khách hàng công nghiệp, xây dựng. Mức phụ tải đỉnh (nhu cầu điện cao nhất trong một giờ) năm 2014 đã lên đến 22GW, tăng gấp 2,5 lần trong vòng 10 năm. 2 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT NHIỆN Hình 1.2 Biểu đồ nguồn cung điện Việt Nam [10] Tuy nhiên tính tới hết năm 2018, công suất nguồn điện tại Việt Nam chậm hơn với kế hoạch như thể hiện ở biểu đồ hình 1.3 Hình 1.3 Biểu đồ công suất nguồn điện cả nước 2016-2018 [10] Trong các năm 2021-2023, dự đoán hệ thống điện sẽ không đáp ứng nhu cầu điện và nhiều khả năng xảy ra tình trạng thiếu điện tại miền Nam. 3 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT NHIỆN Tình trạng thiếu điện miền Nam có thể tăng cao hơn hoặc kéo dài ra cả giai đoạn đến 2025 do phụ tải tăng trưởng cao, cùng với đó lượng nước về các hồ thủy điện kém hơn trung bình nhiều năm; Nguồn khí Lô B, khí Cá Voi Xanh chậm tiến độ và Các dự án nguồn điện mới tiếp tục bị chậm tiến độ so với cập nhật hiện nay (mỗi dự án nhiệt điện than 1.200 MW tại miền Nam bị chậm tiến độ sẽ làm mức độ thiếu điện tại miền Nam tăng thêm từ 7,2-7,5 tỷ kWh/năm) [10] Từ năm 2026 - 2030, nếu tiến độ các nguồn điện đáp ứng như dự kiến thì việc cung ứng điện may ra mới được cải thiện. Như vậy có thể thấy việc đảm bảo cung ứng điện toàn toàn quốc trong thời gian tới sẽ có nhiều rủi ro mà EVN đã chỉ ra được nguyên nhân chính như: các nguồn điện đã được khởi công xây dựng để đưa vào vận hành trong 5 năm tới rất thấp so với yêu cầu tại Quy hoạch điện VII điều chỉnh Cụ thể theo Quy hoạch điện VII điều chỉnh trong 5 năm 2018-2022, tổng công suất các nguồn điện dự kiến đưa vào vận hành là 34864 MW, trong đó nhiệt điện là 26000 MW. Thực tế hiện nay chỉ có 7 dự án NĐ than/760 MW đã được khởi công và đang triển khai xây dựng. Như vậy, còn trên 18000 MW/26000 MW các dự án nhiệt điện than dự kiến vào vận hành trong 5 năm tới nhưng đến nay chưa được khởi công xây dựng và sẽ ảnh hưởng rất lớn đến việc cung ứng điện các năm tiếp theo [11]. Có thể thấy Việt Nam đang là một trong những nước tiêu thụ điện nhiều nhất Đông Nam Á và giá điện tăng trong thời gian tới là tất yếu. Từ hiện trạng và nhận định trên, việc gia tăng hiệu quả trong sử dụng và sản xuất điện là rất cần thiết, cần có những biện pháp và hướng đi đúng đắn để ngành điện Việt Nam có thể phát huy hết tiềm năng và đáp ứng nhu cầu trong tương lai. 1.1.2 Nhiệt năng Nhiệt năng là một dạng năng lượng không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực sản xuất như: nhà máy giấy, chế biến thực phẩm, dệt may, mía đường, ngành nhựa – chất dẻo, dược phẩm,... Chi phí sản xuất nhiệt năng chiếm tỷ trọng lớn trong tổng chi phí sản xuất của nhà máy, do vậy việc sản xuất và sử dụng hiệu quả nhiệt năng ở các nhà máy này rất quan trọng. Ví dụ như trong ngành dệt may, một ngành công nghiệp trọng điểm, đồng 4 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT NHIỆN thời là mũi nhọn về xuất khẩu của nước ta, tiêu hao nhiệt trên đơn vị sản phẩm còn khá cao do bởi còn nhiều lãng phí trong quá trình sản xuất. Nếu áp dụng những phương pháp tiết kiệm năng lượng một cách đồng bộ, doanh nghiệp dệt may có thể giảm được khoảng 20% chi phí năng lượng cho sản xuất mà trong đó tối ưu hóa hệ thống lò hơi là một giải pháp được quan tâm. Hình 1.4 là một sơ đồ hệ thống hơi nước tổng quát trong công nghiệp. Hình 1.4 Sơ đồ cơ bản hệ thống hơi nước Thiết bị lò hơi với nhiệm vụ chủ yếu là sản xuất hơi nước cho các nhu cầu về sấy, gia nhiệt, nấu, thanh trùng và đôi khi là cả nhu cầu phát điện trong các nhà máy sử dụng công nghệ đồng phát. Để tiết kiệm năng lượng, thiết bị lò hơi được ưu tiên sử dụng là các lò hơi có hiệu suất cao, công suất phù hợp tránh tình trạng non tải, đồng thời phải được vệ sinh định kỳ không để bám cáu cặn trong lò. Bên cạnh đó cần bố trí, lắp đặt đường ống hơi hợp lý, giảm thất thoát nhiệt trong quá trình phân phối hơi. Các lò hơi ở Việt Nam có dải công suất từ nhỏ đến lớn, nhưng đa số còn có hiệu suất nhiệt thấp nên suất tiêu hao nhiên liệu cao và lượng khí độc hại phát thải vào môi trường lớn. Vì vậy, việc nâng cao hiệu suất, tiết kiệm năng lượng đối với lò hơi nói riêng 5 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT NHIỆN cũng như hệ thống cung cấp nhiệt nói chung được các doanh nghiệp quan tâm, nhất là khi hiện nay giá nhiên liệu có xu hướng ngày càng tăng. 1.1.3 Vấn đề phát thải trong sản xuất năng lượng Có thể thấy điện năng và nhiệt năng chiếm tỷ trọng rất lớn, có vai trò quyết định trực tiếp đến sự phát triển của ngành năng lượng Việt Nam qua đó giúp cho nền kinh tế Việt Nam đi lên, nhưng song song đó ô nhiễm môi trường cũng đang là một trong những vấn đề mà ngành năng lượng Việt Nam đang phải đối mặt và cần phải tìm cách hạn chế. Với tiềm năng kinh tế lớn cùng sự gia tăng rất nhanh chóng và vai trò chủ đạo của ngành năng lượng trong phát thải quốc gia được thể hiện ở hình 1.5, để tăng sức cạnh tranh của các sản phẩm và dịch vụ của nước ta, giảm lượng khí phát thải, cụ thể hóa các giải pháp phát thải khí nhà kính, vấn đề sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả đang được quan tâm ở nhiều cấp độ khác nhau. Hình 1.5 Phát thải khí nhà kính năm 2010 và dự báo tới năm 2020 và 2030 (Kịch bản thông thường BAU) và mục tiêu 2030 [9] Việt Nam đã và đang huy động những nguồn lực trong nước và quốc tế nhằm hỗ trợ cho phát triển điện lực, đảm bảo cung cấp đủ điện với chất lượng ngày càng cao, giá điện hợp lý cho phát triển kinh tế - xã hội của đất nước. Trong đó tập trung tối ưu hóa 6 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT NHIỆN việc sử dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên năng lượng cũng như thúc đẩy việc sử dụng năng lượng sạch, năng lượng tái tạo, thay đổi từ mô hình điện tập trung cho đến mô hình điện phân bố. 1.1.4 Cơ hội phát triển công nghệ đồng phát Như vậy, trong bối cảnh kinh tế Việt Nam đang tăng trưởng nhanh, đòi hỏi nhu cầu năng lượng ngày càng lớn, để đảm bảo cung cấp năng lượng tin cậy và tối ưu hóa việc sử dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên năng lượng Việt Nam cần phát huy cao nhất mức độ sử dụng năng lượng hiệu quả. Vì công nghệ có nhu cầu năng lượng đa dạng, những phương pháp gia tăng hiệu suất năng lượng của các ngành công nghiệp rất là đa dạng. Trong đó đồng phát đang là một trong những phương pháp gia tăng hiệu suất năng lượng, giảm mức độ phát thải đáng chú ý và cần được phát triển nhất. Đối với một nhà máy công nghiệp khi hoạt động cần cả điện và nhiệt năng (dưới dạng nhiệt) cùng một lúc. Thông thường, nhà máy công nghiệp có hợp đồng cung cấp điện với một công ty năng lượng để cung cấp một lượng điện nhất định cho nhà máy. Có nhiều loại hợp đồng cung cấp điện khác nhau, nhưng nói chung một nhà máy công nghiệp trả một chi phí nhất định cho lượng điện mua từ lưới điện. Điện cung cấp cho lưới điện từ các nhà máy điện trung tâm hoạt động trên cơ sở chu trình Rankine điển hình với hiệu suất nhiệt 35-42%. Điều này có nghĩa là có một lượng lớn tổn thất năng lượng vào môi trường xung quanh (thông qua tháp làm mát, nước sông, …) tại khu vực phát điện. Nhà máy công nghiệp cũng mua nhiên liệu từ một công ty năng lượng để vận hành nồi hơi hoặc các thiết bị gia nhiệt quá trình cháy trực tiếp để đáp ứng nhu cầu nhiệt của nó. Ở hệ thống đồng phát, một nhà máy công nghiệp với một hệ thống hơi nước có thể vận hành một chu trình đỉnh, trong đó nó tạo ra điện thông qua một tua bin hơi nước và sau đó sử dụng hơi thoát đáp ứng các nhu cầu nhiệt của các quá trình. Hiệu suất nhiệt chung của hệ thống đồng phát nhiệt điện đó có thể là 70% hoặc cao hơn. Đây là lý do chính để thực hiện các cơ hội tối ưu hóa đồng phát trong các hệ thống công nghiệp. Có thể có một số lượng đáng kể tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm chi phí bao gồm một cấu hình cung cấp điện có độ tin cậy cao với đồng phát nhiệt điện trong các nhà máy công nghiệp. 7 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT NHIỆN 1.2 Khái niệm về đồng phát Hệ thống đồng phát (hay còn gọi là: Nhiệt Điện kết hợp), trong thực tế còn dùng trực tiếp từ tiếng Anh – Cogeneration, là hệ thống cung cấp đồng thời cả năng lượng điện và nhiệt, và đôi khi cả năng lượng cơ học, trong một hệ thống tích hợp duy nhất. Hình 1.6 là một ví dụ về hệ thống đồng thời phát điện và cấp nhiệt tập trung với đầy đủ các hệ thống xử lí chất phát thải đảm bảo tiêu chuẩn về môi trường. Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống đồng phát Theo sơ đồ trên, đây là công nghệ biến đổi năng lượng từ các nguồn phế thải sinh khối như bã mía, trấu, mùn cưa, gỗ vụn… để cung cấp năng lượng chạy lò hơi, sau đó hơi nước từ lò hơi được dùng chạy tuabin phát điện (thường là tuabin đối áp, tuabin ngưng hơi có cửa trích). Phần hơi nước sau khi ra khỏi tuabin phát điện vẫn còn một phần nhiệt năng sẽ được dùng để cấp cho các hộ tiêu thụ nhiệt như: lò nấu, lò sưởi… để phục vụ mục đích công nghiệp. 8 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT NHIỆN Các hệ thống đồng phát có thể được chia thành ba loại kích thước cơ bản: hệ thống nhỏ có công suất dưới 50 kW, phù hợp với nhà ở một mặt bằng; hệ thống trung bình 50500 kW, phù hợp cho các doanh nghiệp vừa (bệnh viện, khách sạn, căn hộ, nhà hàng và trung tâm giải trí); và các hệ thống lớn lớn hơn 500 kW và phù hợp để sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp lớn [6]. Các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn hệ thống đồng phát phù hợp, một số thông số cụ thể cần lưu ý là: ● Tỷ lệ nhiệt năng/điện năng ● Chất lượng năng lượng nhiệt cần thiết ● Nguồn nhiên liệu sử dụng ● Độ ồn ● Vấn đề quy hoạch ● Các vấn đề khác Trong đó, tỷ lệ nhiệt năng/điện năng (Heat to Power Ratio) là một trong những thông số kỹ thuật quan trọng ảnh hưởng đến việc lựa chọn hệ thống đồng phát. Tỷ lệ nhiệt năng/điện năng của một cơ sở phải phù hợp với đặc điểm của hệ thống đồng phát sẽ được lắp đặt (Bảng 1.1). Tỷ lệ nhiệt năng/điện năng được định nghĩa là tỷ lệ năng lượng nhiệt so với điện theo yêu cầu của cơ sở tiêu thụ. Trong nhiều tài liệu người ta còn dùng giá trị nghịch đảo của nó (Công suất điện/Công suất nhiệt), gọi là chỉ số đồng phát (Cogeneration Index) Bảng 1.1 Tỷ lệ nhiệt năng/điện năng cùng một số thông số kỹ thuật khác [6] 9 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT NHIỆN Có thể thấy, hệ thống đồng phát tuabin hơi nước có thể cung cấp một phạm vi tỷ lệ nhiệt năng/điện năng lớn. 1.3 Ưu điểm của Đồng phát Trong các nhà máy điện thông thông thường, nhiệt năng còn dư sau khi chạy tuabin thường không được sử dụng, hầu hết thải ra môi trường, hiệu suất của các nhà máy này thường vào khoảng 40-55%. Trong khi đó, hệ thống đồng phát tận dụng một cách hiệu quả nhiệt năng dư này một cách trực tiếp nên tổng hiệu suất của hệ thống đồng phát lớn hơn nhiều so với hệ thống nhiệt, điện riêng lẻ, hiệu suất hệ thống này đạt tới 75-95% (như minh họa ở hình 1.7). Hình 1.7 Hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống đồng phát [12] Như đã thấy, hiệu suất của các hệ thống nhiệt, điện riêng lẻ không cao, hiệu quả sự dụng nhiên liệu thấp, hao phí năng lượng lớn, dẫn đến lượng phát thải cao trong khi các lượng tài nguyên thiên nhiên ngày càng cạn kiệt cùng với sự biến đổi khí hậu, ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính ngày càng tăng. Đồng phát là hệ thống hiệu quả về kinh tế, giúp giảm mức phát thải, tiết kiệm nhiên liệu, thông qua đó còn giúp giảm bớt chi phí cho quá trình vận chuyển, lưu trữ nhiên liệu, tăng tuổi thọ thiết bị ( giảm hao mòn). Ngoài ra, do có thể tự cung cấp điện nên khi vào giờ cao điểm hoặc do sự cố dẫn đến mất nguồn điện cung cấp cho sản xuất, hệ thống Đồng phát giúp đảm bảo nguồn điện được duy trì liên tục, ổn định cho khu vực đó. 10 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT NHIỆN Như vậy, công nghệ đồng phát cung cấp một nguồn năng lượng ổn định và hiệu quả cao. Đồng phát làm giảm mức phát thải và tận dụng các sản phẩm thải được đưa vào sử dụng sản xuất, làm giảm sự phụ thuộc vào mạng điện lưới quốc gia và tăng độ an toàn, ổn định của nguồn điện. Và là giải pháp cung cấp năng lượng điện và nhiệt được ứng dụng để có thể cải thiện cả về mặt kinh tế và môi trường. 1.4 Hiện trạng công nghệ đồng phát ở Việt Nam Ở Việt Nam, công nghệ đồng phát đã đươc ứng dụng trong các nhà máy công nhiệp quy mô vừa và lớn, điển hình như ngành công nghiệp Mía đường, khu công nghiệp Formosa-Nhơn Trạch-Đồng Nai, nhà máy giấy Bãi Bằng,… 1.4.1 Ngành công nghiệp mía đường Ngành công nghiệp mía đường hiện nay có vai trò quan trọng đối với Việt Nam. Ngành mía đường đã từ khá lâu sử dụng phụ phẩm để sản xuất nhiệt, điện, và thực sự là một trong những ngành đi đầu trong sản xuất năng lượng tái tạo tại Việt Nam. Hiện nay có 41 nhà máy mía đường tiêu thụ 155,000 tấn mía/ngày [15] , tạo nên lượng bã mía dư thừa lớn trong quy trình luyện đường thô (Hình 1.8). Hình 1.8 Quy trình sản xuất của nhà máy mía đường [15] 11 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT NHIỆN Bã mía được tận dụng để làm nguyên liệu đốt lò hơi, tạo hơi cho tuabin từ đó hơi trích từ tuabin hầu hết được dẫn vào chạy công nghệ nhà máy mía đường, phần còn lại đưa bình khử khí. Hơi sau khi được sử dụng cho công nghệ của nhà máy sẽ được đưa về bồn chứa, tại đây sẽ có các công nghệ xử lý lượng đường và các chất bẩn khác trong nước rồi được đưa đi bổ sung vào lò hơi tiếp tục hệ thống tuần hoàn nhiệt. Nhìn chung, quy trình sản xuất đường khá đơn giản, không đòi hỏi nhiều kỹ thuật cao, phức tạp so với các mặt hàng khác. So với thế giới thì Việt Nam có công nghệ sản xuất đường tương đương về chất lượng đường. Tuy nhiên quy mô và chất lượng thiết bị và khả năng tiết kiệm nhiên liệu thì kém hơn. Vì vậy, nhiều nhà máy đã đầu tư phát hệ thống đồng phát để tăng hiệu quả sản xuất, điển hình như: - Công ty cổ phần Mía đường Nhiệt điện Gia Lai, hiện nay nhà máy có công suất ép 6000 tấn mía nguyên liệu/ngày, tương đương 1200000 tấn mía/năm. Trong vụ ép năm 2015, công ty đã đầu tư 2,4 tỷ đồng để lắp đặt thêm 1 lò hơi cao áp 22,5 MW với công suất 150 tấn/giờ để đốt hết lượng bã thừa cung cấp điện năng và nhiệt năng cho toàn công ty, ngài ra còn phát điện lên điện lưới quốc gia [16]. Thành công của dự án không chỉ đem lại lợi nhuận cho doanh nghiệp mà còn góp phần nâng cao năng lực nguồn cho hệ thống, giải quyết tình trạng thiếu điện cục bộ tại địa phương, tạo thêm công việc ổn định cho người dân trên địa bàn tỉnh AyunPa và các vùng lân cận; đảm bảo nguồn năng lượng đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội, đảm bảo an ninh quốc phòng trên địa bàn. - Công ty cổ phần Đường Ninh Hòa, công ty đang triển khai xây dựng nhà máy nhiệt điện sử dụng bã mía tại xã Ninh Xuân, thị xã Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa, công suất đạt 30 MW với tổng mức đầu tư trên 345 tỷ đồng. Đến nay, đã bán được cho EVN 5,56 triệu kWh với giá 603 đồng/kWh. Nhà máy có hệ thống lò hơi công suất 170 tấn hơi/giờ, áp suất 6,8 Mpa, một tua bin kiểu đối áp, máy phát điện công suất 30000 Kw và các hệ thống thiết bị trọn bộ đi kèm. hệ thống đường dây 110 kV truyền tải dài 5km đấu nối với hệ thống điện lưới quốc gia [16]. - Công ty cổ phần Mía đường Thành Thành Công Tây Ninh, ngay từ khi xây dựng từ năm 1995, Công ty cổ phần Mía đường Thành Thành Công Tây Ninh đã xác 12 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT NHIỆN định xây dựng hệ thống phát điện từ bã mía thay vì xử lý thô như hầu hết nhà máy đường thời đó. Từ khi đi vào hoạt động năm 1997 đến nay, cụm thiết bị lò hơi công suất 235 tấn hơi/giờ và hai tuabin phát điện tổng công suất 24.000 kW, là một trong những trung tâm đồng phát nhiệt điện hiện đại và lớn nhất Việt Nam. Lượng điện bã mía của công chủ yếu phục vụ sản xuất đường, phần còn lại được đưa lên lưới điện quốc gia của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), mỗi ngày đơn vị này bán cho EVN khoảng 360000 kWh, cả vụ là 50000000 kWh, với giá bán điện cho EVN hiện tại là 5,8 cent/kWh [16]. Nhiều dự án khác cũng đang mở rộng như dự án Sơn Dương, Sơn La… Tính đến tháng 6/2018, đã có 9 nhà máy mía đường đầu tư công nghệ Đồng phát với tổng công suất lắp đặt đặt khoảng 351,6 MW [16]. Theo Hiệp hội Mía đường Việt Nam (VSSA), mỗi năm các nhà máy đường ép trên 15 triệu tấn mía, tương đương 4,5 triệu tấn bã mía. Nếu lượng bã này được sử dụng và khai thác hiệu quả để phát điện sẽ tạo ra lượng điện tương đương 1,2 – 1,4 tỷ kWh. Đây là dự án năng lượng tái tạo, sử dụng bã mía để sản xuất điện, giải quyết ô nhiễm môi trường và cung cấp điện lên lưới quốc gia chủ yếu vào mùa khô (từ tháng 12 năm trước đến tháng 4 năm sau), đồng thời tăng doanh thu cho doanh nghiệp và giải quyết việc làm cho người lao động. “Nếu có giải pháp đồng bộ, cơ chế khuyến khích, thực hiện tái cơ cấu hiệu quả thì đến năm 2030 Việt Nam sẽ có thể đạt 40 triệu tấn mía, sản xuất được 4,7 triệu MWh, tương ứng tổng công suất phát 1600 MW và lượng điện thương phẩm lên lưới có thể đạt 50-60% (2,8 triệu MWh), tương ứng công suất đấu nối vào lưới điện quốc gia 900MW..." – ông Phạm Ngọc Doanh, Chủ tịch hiệp hội mía đường Việt Nam cho biết [16]. Theo Hiệp hội Mía đường Việt Nam điện sản xuất từ bã mía là nguồn năng lượng tái tạo nhiều tiềm năng. Nguồn bã mía được sử dụng để phát điện sẽ đáp ứng đáng kể cho nhu cầu điện trong mùa khô, giảm áp lực cho các nhà máy thủy điện đang thiếu nước, đảm bảo tính an toàn và thuận lợi cho việc cấp điện tại khu vực nông thôn. 13 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT NHIỆN 1.4.2 Khu công nghiệp quy mô lớn – Formosa Trong những năm gần đây, tại Việt Nam công nghệ Đồng phát được ứng dụng quy mô lớn, như khu công nghiệp Formosa, Nhơn Trạch, Đồng Nai, với sản lượng điện: 2324516 MW/năm và sản lượng hơi nước 48 tấn/h gồm 3 tổ máy cung cấp ổn định hơi và nước sản xuất cho các nhà máy nằm trong phân khu Formosa và các nhà máy khác trong Khu công nghiệp Nhơn Trạch III [17]. Điện năng được cấp vào lưới điện nội bộ 110kV nối với trạm biến thế sau đó tải vào đường dây 22kV cung cấp điện cho các nhà máy, điện năng dư thừa sẽ được tải lên mạng điện lưới điện quốc gia qua đường biến thế 220kV, được mô tả ở Hình 1.9 . Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý, tổ máy VN-1 Sơ đồ nhiệt nguyên lý của nhà máy nhiệt điện xác định nội dung chủ yếu của quá trình công nghệ biến đổi nhiệt năng thành điện năng trong nhà máy. Bao gồm các thiết bị nhiệt chính và phụ. Hiện tại, nhà máy sử dụng than nhập khẩu từ Nga và Indonesia làm nguồn nhiên liệu đốt chính tại 3 tổ máy. Than lưu trữ trong kho được chuyển tới máy nghiền than bằng băng tải kín. Than đạt yêu cầu được chứa trong phễu nằm phía trên và được đưa vào máy nghiền qua các máy cấp than. Than sau khi nghiền được phân ly để đảm bảo kích cỡ hạt than 14 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT NHIỆN theo yêu cầu. Các hạt thô sẽ được quay trở lại máy nghiền để tiếp tục giảm kích cỡ. Than sẽ được đưa vào lò đốt thông qua hệ thống phun than và các van gió nóng sơ cấp vận chuyển để phun vào lò. Các vòi phun phát thải NOx thấp được sử dụng để đáp ứng giới hạn phát thải NOx ra môi trường. Buồng đốt NOx thấp có các nguồn cấp gió phân thành cấp 1, 2 thông qua phần mềm điều khiển 2 nguồn cấp gió này để có được nhiệt độ đốt thấp (khoảng 800 ÷ 1000oC). Việc lắp đặt hệ thống Đồng phát cũng khuyến khích và thúc đẩy sự đầu tư của các công ty Đài Loan và thế giới về dệt , sợi hóa học, hóa phẩm vào khu công nghiệp Nhơn Trạch III. Trình độ kỹ thuật ngành dệt và công nghiệp hóa sợi được cải thiện và nâng cấp, đồng thời góp phần thúc đẩy sự phát triển khu công nghiệp hóa phẩm đầu tiên và tiên tiến tại Việt Nam. 1.4.3 Nhà máy giấy Bãi bằng Nhà máy giấy Bãi Bằng tọa lạc tại thị trấn Phong Châu, huyện Phù Ninh, tỉnh Phú Thọ là một tổ hợp công nghiệp khép kín sản xuất bột, giấy, điện hơi, nước, hóa chất... Với mục tiêu sản xuất theo hướng xanh, bền vững, nhiều năm qua, nhà máy luôn chủ động hoàn thiện cải tạo nâng cấp, đầu tư chiều sâu công nghệ nhằm tiết kiệm năng lượng và sử dụng một cách hợp lý, hiệu quả nhất nguồn nguyên liệu trong nước. Gần đây, nhà máy Giấy Bãi Bằng tiếp tục đầu tư hệ thống xử lý nước thải vi sinh công suất thiết kế 30000 m3/ngày đêm nhằm xử lý toàn bộ nước thải trong quá trình sản xuất. Nhờ vậy, toàn bộ lượng nước thải sản xuất, sinh hoạt sau xử lý đều đạt yêu cầu trước khi thải ra môi trường. Nguồn dịch đen thải ra trong công đoạn nấu và rửa bột giấy được tách ra để quay vòng trở lại và đưa vào thiết bị phản ứng theo công nghệ cô đốt để thu hồi hóa chất, từ đó sản xuất điện và hơi phục vụ sản xuất. Công đoạn này vừa giúp tiết kiệm hóa chất cho quá trình nấu bột giấy, vừa tiết kiệm điện khi chạy lại máy, đồng thời giảm đến 90% lượng khí mang mùi ra môi trường do không phải xả dịch đen mỗi khi vệ sinh bể. Theo thống kê của nhà máy Giấy Bãi Bằng, việc tận dụng dịch đen để sản xuất hơi thu hồi cho phát điện góp phần đáp ứng hơn 25-30% nhu cầu năng lượng của nhà máy trong quá trình sản xuất và có công suất phát hơi 45 tấn/giờ [18]. Từ những thành công thu được, nhà máy đang tiến hành đầu tư mới một lò hơi đốt rác để vừa xử lý triệt để nguồn chất thải rắn (vỏ cây, mùn cưa) phát sinh trong quá trình 15 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT NHIỆT NHIỆN sản xuất, vừa sử dụng nguồn chất thải rắn này sản xuất hơi để tái phục vụ sản xuất. Nhận xét: Từ những trường hợp ứng dụng công nghệ đồng phát trên, có thể thấy Việt Nam đang có rất nhiều cơ hội để tạo dựng một hệ sinh thái năng lượng và đang có những bước phát triển nhất định giúp định hình nguồn năng lượng sạch tại nước ta, hiện tại đang có nhiều nhà máy, khu công nghiệp nghiên cứu áp dụng công nghệ trên. Nhiều doanh nghiệp quy mô vừa và nhỏ cũng đang rất quan tâm đến công nghệ đồng phát nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và sử dụng năng lượng. 16 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT 2.1 Đối tượng áp dụng Công nghệ đồng phát đang trên đà phát triển, là thách thức và cũng là cơ hội để cải tiến sản xuất, tận dụng các nguồn năng lượng ít được khai thác ở Việt Nam, là biện pháp sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả trong cơ sở sản xuất, chế biến, gia công sản phẩm hàng hoá có tiềm năng phát triển phụ tải nhiệt và điện. Các doanh nghiệp có sử dụng hơi nước cho nhu cầu kỹ thuật hoàn toàn có thể đánh giá khả năng và cải tiến quy trình sản xuất kết hợp đồng phát nhiệt điện, cũng như cần khai thác nguồn năng lượng sinh khối rất lớn từ các phế thải công nghiệp như bã mía, trấu,… thải ra từ các nhà máy để phát điện, nâng cao hệ số sử dụng của tổ máy tuabin nhiệt, giải pháp công nghệ làm tăng hệ số sử dụng năng lượng nhiệt tổng hợp góp phần đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia. Hiện nay, tại các cơ sở sản xuất công nghiệp có sử dụng nồi hơi làm nguồn cung cấp hơi nước cho nhu cầu kỹ thuật đang lãng phí rất lớn do đầu tư các thiết bị không đồng bộ từ khi xây dựng mua sắm, hoặc do thay đổi cơ cấu sản xuất trong quá trình sản xuất kinh doanh. Nếu đầu tư hệ thống đồng phát, các doanh nghiệp có thể tự chủ tạo ra nguồn điện tại chỗ phục vụ cho nhu cầu sản xuất kinh doanh của mình, góp phần giảm sự quá tải về nhu cầu điện năng trong tổng nhu cầu tiêu thụ điện của quốc gia, nhất là trong hiện trạng có nguy cơ thiếu điện vào năm 2020, trường hợp dư thừa có thể nối điện lưới, bán lại cho mạng lưới điện quốc gia. Mặt khác, doanh nghiệp còn sử dụng hiệu quả nguồn nhiên liệu, vốn giá cả đang ngày càng tăng cao. Hệ thống đồng phát cũng có nhiều nhiều kích cỡ khác nhau được thiết kế và lắp đặt để phù hợp với quy mô cần được lắp đặt. Các hệ thống quy mô lớn được ứng dụng trong các khu công nghiệp, các hệ thống thống quy mô nhỏ phù hợp cho dịch vụ thương mại và công nghiệp nhẹ như sản xuất giấy, dệt may,… Ngành may mặc ở VN đang đóng vai trò lớn trong nền kinh tế, bao gồm xuất khẩu. Các công ty Dệt may là những công 17 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT ty sử dụng năng lượng trọng điểm bao gồm cả nhiệt năng và điện năng. Vì thế, luận văn lựa chọn công ty Dệt may A làm đối tượng nghiên cứu. Mục đích của luận văn là nghiên cứu đề xuất phương án đồng phát nhiệt điện áp dụng cho công ty dệt may A để thay thế cho hệ thống cấp nhiệt truyền thống hiện nay. 2.1.1 Tổng quan về Công ty Dệt may A Công ty CP Dệt may A là một trong những công ty dệt may hàng đầu của Việt Nam về quy mô cũng như chất lượng sản phẩm. Có vị trí địa lý cũng như đặc điểm sản xuất như bảng sau: Bảng 2.1 Thông tin chung về công ty dệt may A [7] Địa chỉ Quận Tân Phú - TP. Hồ Chí Minh Sản phẩm chính Sợi, vải, hàng may mặc Sợi: 400,000 tấn/tháng. Năng lực sản xuất (đơn vị SP/ngày) Vải dệt: 1,000,000 mét/tháng. Sản phẩm may: 1.500,000 sản phẩm/tháng. Số giờ làm việc (giờ/ngày) Số ngày làm (ngày/năm) việc trong 24 giờ năm 365 ngày Quy mô công ty bao gồm ba xưởng với các thiết bị chính bao gồm: - Phân xưởng sợi : hệ thống máy nén khí, hệ thống điều không, các máy sản xuất khác. - Phân xưởng dệt : hệ thống máy nén khí, hệ thống máy se, máy dệt… - Phân xưởng nhuộm : các máy nhuộm cao áp, hệ thống máy nén khí, lò hơi, lò dầu. Các phân xưởng này sử dụng nhiều điện năng từ lưới. Có 2 hệ thống cung cấp nhiệt là hệ thống hơi nước và hệ thống dầu tải nhiệt. Với mục tiêu đề xuất phương án đồng phát điện cấp nhiệt chúng ta cần biết rõ nhu cầu và tình hình cung cấp nhiệt hiện nay của công ty như thế nào. Dựa theo báo cáo 18 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT kiểm toán năng lượng thực hiện năm 2018, nhiệt năng chủ yếu cung cấp cho xưởng dệt nhuộm. Quy trình sản xuất xưởng này như hình 2.1 Sợi đầu vào Máy dệt khí Điện Điện Máy kiểm hàng dệt Điện Máy xả hàng Điện Điện Điện Điện Điện Điện Máy dệt kiếm Nhuộm Nhiệt Vắt Sấy Định hình vải Nhiệt Nhiệt Máy làm mềm Máy kiểm hàng Đóng gói, thành phẩm Hình 2.1 Quy trình công nghệ xưởng dệt nhuộm 19 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT Nguyên liệu đầu vào là các loại sợi được đưa qua các máy dệt để dệt thành vải. Tùy theo các loại vải yêu cầu khác nhau mà đi qua các máy dệt khác nhau : máy dệt khí, máy dệt kiếm... Năng lượng cung cấp cho các máy dệt kiếm là điện năng, năng lượng cung cấp cho máy dệt khí là điện năng và khí nén (áp suất yêu cầu từ 5 – 6 bar). Vải được dệt xong đưa qua máy kiểm hàng để kiểm tra chất lượng vải dệt rồi đưa qua máy xả. Sau khi xả xong vải được đưa đi nhuộm, vắt và sấy khô. Tiếp đến vải được đưa đi định hình và làm mềm rồi đưa qua máy kiểm hàng để kiểm tra chất lượng vải. Sau đó vải được đưa đi đóng gói, thành phẩm để bán hay đưa vào làm nguyên liệu cho xí nghiệp may. Trong tất cả các công đoạn trên hầu hết các công đoạn đều sử dụng năng lượng điện để vận hành các động cơ. Ngoài ra, các công đoạn nhuộm, công đoạn sấy và công đoạn định hình vải cần lượng nhiệt năng lớn. Hiện tại nhuộm được cung cấp bằng hơi nước, sấy và định hình vải được cung cấp bằng dầu tải nhiệt. 2.2 Tình hình sử dụng và cung cấp năng lượng tại công ty A 2.2.1 Tình hình sử dụng và cung cấp nhiệt năng Như vừa trình bày ở trên, sử dụng năng lượng nhiệt nhiều nhất đó chính là công đoạn nhuộm, công đoạn sấy và công đoạn định hình vải. Công đoạn nhuộm: năng lượng nhiệt dùng để cung cấp nhiệt ổn định cho các bầu nhuộm trong suốt quá trình nhuộm, công đoạn này cần hơi ở nhiệt độ khoảng 120oC (áp suất khoảng 3 bar), sử dụng máy nhuộm để nhuộm vải (Hình 2.2). Năng lượng điện chủ yếu dùng để vận hành bơm tuần hoàn nước nhuộm trong suốt quá trình nhuộm. Hình 2.2 Máy nhuộm vải 20 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT Công đoạn sấy: năng lượng nhiệt dùng để cung cấp nhiệt độ ổn định cho các buồng sấy trong máy sấy (hình 2.3), công đoạn này nhiệt độ sấy lên khoảng 170180oC nên sử dụng dầu tải nhiệt để có thể đáp ứng nhiệt độ này. Năng lượng điện cung cấp cho công đoạn sấy chủ yếu dùng để vận hành các quạt gió tuần hoàn trong các buồng sấy. Hình 2.3 Máy sấy vải Công đoạn định hình vải: Sử dụng máy căng kim định hình vải (Hình 2.4), năng lượng nhiệt dùng để cung cấp nhiệt độ ổn định cho quá trình định hình vải, công đoạn này cần hơi nhiệt độ khoảng 140oC (áp suất 5-6 bar). Hình 2.4 Máy căng kim định hình vải Để đáp ứng như cầu nhiệt trên, công ty sử dụng 2 thiết bị cung cấp nhiệt. Nhiên liệu sử dụng là thán cám Indo. gồm: 1 lò hơi tầng sôi và 1 lò dầu tải nhiệt sử dụng than 21 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT cám và mùn cưa ép nhằm cung cấp nhiệt năng cho công nghệ sản xuất .(đổi than bằng mùn cưa). Than cám có nhiệt trị 5500 kcal/kg và mùn cưa éo có nhiệt trị 4000 kcal/kg Hơi nước được cung cấp bởi một lò hơi tầng sôi có sơ đồ nguyên lý như hình 2.5 Hình 2.5 Lò hơi nhà máy dệt A (chụp tại hiện trường) 22 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT Nguyên lý hoạt động: Lò hơi được thiết kế lò ống nước tuần hoàn tự nhiên có 2 balong nằm ngang. Balong trên và balong dưới liên kết với nhau bằng các ống nước đối lưu. Các ống góp bố trí xung quanh buồng đốt và liên kết với balong bằng các ống nước bức xạ. Nhiên liệu được đốt trong buồng lửa tuần hoàn nhiệt lượng tỏa ra từ quá trình cháy được truyền cho dàn ống bức xạ trong buồng lửa, khói và tro thoát khỏi thân lò tới xyclon ở đây các hạt nhẹ hơn sẽ thoát khỏi xyclon, còn các hạt nặng hơn được ly tâm thu về đáy cấp vào lò qua bộ tái cấp nhiên liệu tuần hoàn. Sau đó khói đi qua dàn ống đối lưu theo đường dích dắc. Cuối cùng vào bộ hâm nước và qua bộ sấy không khí được bố trí ở phía trên dàn ống sinh hơi đối lưu. Khói được dẫn qua thiết bị xử lý khói để xử lý trước khí quạt hút khói thải ra môi trường. - Lò hơi có thông số kỹ thuật như bảng 2.2 Bảng 2.2 Bảng thông số kỹ thuật lò hơi tầng sôi Công suất thiết kế(kg/giờ) 20000 Loại nhiên liệu Than cám (Indo) Số giờ làm việc trong năm (giờ/năm) 6912 Tiêu thụ nhiên liệu trung bình (tấn/ngày) 30 Áp suất hơi bão hòa tại đầu ra lò hơi(bar) 7 Nhiệt độ nước cấp vào lò hơi(oC) 50 - 70 Nhiệt độ khói thải(oC) 190 - 200 Công suất nhiệt của lò hơi tầng sôi: Qh = Dh.(ih –inc)= 14000 kW (được làm tròn). Với Dh = 20000 kg/h và hơi bão hòa tại áp suất 7 bar, tra bảng “nước và hơi nước bão hòa“ [1], ta có: ih = 2764 kJ/kg. Chọn nhiệt độ nước cấp: 60oC, ta có inc = 4,2.60 = 252 kJ/kg. Lò dầu tải nhiệt và sơ đồ nguyên lý kiểu nằm đốt mùn cưa ép viên trên ghi xích cho công đoạn sấy thể hiện ở hình 2.6 23 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT Hình 2.6 Hình ảnh và sơ đồ nguyên lý hoạt động lò dầu tải nhiệt Nguyên lý hoạt động: Dầu được bơm tuần hoàn đi vào được làm nóng đến nhiệt độ yêu cầu sau đó đi tới hộ dùng nhiệt, sau khi trao đổi nhiệt năng dầu quay trở lại để tiếp tục làm nóng. Dầu sau khi được làm nóng có thể tích tăng cao (nhiệt độ tăng 50oC 24 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT đến 300oC thì thể tích tăng 25%) do vậy cần bố trí bình giãn nở để có thể chứa được thể tích tăng thêm này và được kết nối tới bình trữ và được bơm trở lại buồng lửa lò. - Lò dầu tải nhiệt, có thông số như bảng 2.3 Bảng 2.3 Bảng thông số kỹ thuật lò dầu tải nhiệt Công suất thiết kế (kcal/giờ) 5,000,000 Loại nhiên liệu Mùn cưa ép viên Số giờ làm việc trong năm (giờ/năm) 6912 Tiêu thụ nhiên liệu trung bình (tấn/ngày) 25 – 26 Nhiệt độ dầu tại đầu ra (oC) 240 - 250 Nhiệt độ dầu vào lò hơi (oC) 220 - 240 Nhiệt độ khói thải (oC) 90 - 200 Như vậy, công suất thiết kế của lò dầu tải nhiệt quy đổi sang kW (được làm tròn số) là: Qd = 6000 kW. Tổng công suất nhiệt lắp đặt của công ty là: Q = Qh + Qd = 20000 kW. 2.2.2 Tình hình sử dụng và cung cấp điện năng Theo báo cáo kiểm toán năng lượng được thực hiện năm 2018, điện năng cung cấp cho Công ty được lấy từ hệ thống điện quốc gia. Điện năng được lấy từ nguồn 22 kV, sau đó hạ áp thông qua các trạm biến áp. Số lượng trạm biến áp tại công ty là 11 trạm có dãy công suất từ 516 – 2000 kVA ; các trạm biến áp đều có lắp tụ bù tự động nhằm nâng cao hệ số công suất cos, do vậy hệ số cos đạt được của là khá cao, thường lớn hơn 0,95. Các trạm biến áp phân phối điện năng cho các khu vực như sau : 2 trạm 2000kVA : 1 trạm phân phối cho các tòa nhà văn phòng A2 và A3, 1 trạm phân phối cho phân xưởng dệt khí và một phần phân xưởng may. 1 trạm 2000kVA và 1 trạm 1000kVA : các xưởng dệt 1 trạm 1000kVA : xưởng may 1 3 trạm 2000kVA : cung cấp cho phân xưởng sợi 25 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT 2 trạm 2000kVA : cung cấp cho phân xưởng nhuộm. 1 trạm 560 kVA : cung cấp khu vực nhà lò. Tổng công suất lắp đặt của các trạm 18560 kVA còn điện năng tiêu thụ thực tế của công ty theo báo cáo kiểm toán năng lượng (làm tròn) là 5250 kW , như bảng 2.4 sau. Bảng 2.4 Tổng kết điện năng tiêu thụ của công ty Điện năng tiêu thụ (kWh) Tháng Công ty PX sợi PX dệt PX may PX nhuộm 1 3331349 1091108 643221 207904 1245805 2 2075354 475108 551139 190805 737597 3 3777194 1427514 804484 240720 1155339 4 3094813 1077412 668647 239012 964120 5 2892808 892118 670496 233647 946397 6 3345579 1074368 805262 266429 1036111 7 3228986 1045650 801794 267656 953621 8 2939251 891551 757102 252823 877033 9 2704162 838989 729378 235621 748946 10 2859529 827329 727598 253337 889181 11 3058746 852503 759818 277456 992521 12 3088472 885437 754203 281752 988213 11379087 8673142 2947162 11534884 Tổng cộng 36396243 Điện năng tiêu thụ trung binhg hàng tháng của công ty có sự thay đổi khá nhiều. Điện năng tiêu thụ vào tháng 2 là thấp nhất đạt khoảng 2075354 kWh. điện năng tiêu thụ vào tháng 3 là cao nhất đạt khoảng 3777194 kWh. Ta lấy theo số liệu tháng lớn nhất để đảm bảo hoạt động của nhà mày Vậy, công suất điện thực tế: N = 3777194/(30*24) = 5250 kW 26 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT Nhận xét: Hơi nước cung cấp nhiệt năng chủ yếu cho công đoạn nhuộm tại áp suất 3 bar, thông số hơi ra của lò hơi tầng sôi là 7bar ( chỉ sử dụng một lượng ít hơi cho công đoạn định hình vải (5-6 bar)) vậy nên công ty cần lắp đặt các van giảm áp để đáp ứng nhu cầu của công đoạn nhuộm gây nên tổn thất năng lượng không thuận nghịch. Hệ thống điện và nhiệt riêng lẻ như phân tích ở Chương 1, hiệu suất của hệ thống này rất thấp gây tổn hao năng lượng và hao phí nhiên liệu lớn. Hệ thống phức tạp do phải sử dụng cả lò hơi và lò dầu chi phí lắp đặt cao, bảo trì tốn kém dẫn đến kém hiệu quả kinh tế 2.3 Đề xuất phương án Đồng phát nhiệt điện Từ thực trạng nêu trên, đề xuất cải tiến hệ thống cung cấp hơi nước cho nhu cầu kỹ thuật và điện của nhà máy bằng cách lắp đặt hệ thống Đồng phát nhiệt điện. Với chỉ số nhiệt năng/điện năng (Heat to Power Ratio), Q/N = 20000/5250 ≈ 4. Theo bảng 1.1 hệ thống Đồng phát cho Công ty Dệt may A sử dụng tuabin hơi nước, với cùng loại chất đốt như trên (than cám). 2.3.1 Các phương án đề xuất Trong hệ thống Đồng phát sử dụng tuabin hơi nước, đề xuất hai phương án sử dụng tuabin đối áp hoặc tuabin ngưng hơi có cửa trích a) Tuabin đối áp Tuabin đối áp là tuabin có cấu tạo đơn giản nhất và thường được sử dụng ở các hệ thống quy mô nhỏ (Hình 2.7). Hơi có trong tuabin ở áp suất bằng hoặc cao hơn áp suất khí quyển, tuỳ theo nhu cầu tải nhiệt. Đây là lý do tại sao chúng ta lại sử dụng thuật ngữ đối áp. Hơi bão hòa sau lò hơi có nhiệt độ t0 và áp suất P0 đi vào để chạy tuabin tạo ra điện năng, sau đó có thể trích hơi ở các cấp trung gian của tuabin hơi, với áp suất và nhiệt độ phù hợp với tải nhiệt Q1, Q2. Sau khi ra khỏi tuabin, hơi được nạp vào tải, tại đó hơi giải phóng nhiệt phục vụ các nhu cầu kỹ thuật và được ngưng tụ. Nước ngưng được đưa trở lại hệ thống với tốc độ dòng thấp hơn tốc độ dòng của hơi, nếu khối lượng 27 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT hơi được sử dụng trong quy trình hoặc nếu có tổn thất qua hệ thống ống. Nước đã qua xử lý bổ sung vào hệ thống có thể giữ cân bằng khối lượng. Hình 2.7 Tuabin đối áp Hệ thống tuabin hơi đối áp có những ưu điểm sau: Cấu tạo đơn giản với ít thành phần. Tránh được chi phí tốn kém cho áp suất hạ áp của tua bin. Chi phí vốn thấp. Giảm hoặc thậm chí không cần sử dụng nước làm mát. Hiệu suất toàn phần cao, vì không thải nhiệt ra môi trường qua máy nén. Hệ thống tuabin hơi đối áp có những nhược điểm sau: Với cùng công suất đầu ra, tua bin hơi lớn hơn, vì nó phải vận hành với sự chênh lệch enthalpy của hơi thấp hơn. Lưu lượng hơi qua tua bin phụ thuộc vào mức tải nhiệt. Điện do hơi tạo ra được kiểm soát bởi tải nhiệt, điều này dẫn đến sự kém hoặc không linh hoạt trong việc phối hợp trực tiếp công suất đầu ra với tải điện. Do đó, cần có sự kết hợp hai chiều với lưới mua điện hoặc bán điện dư tạo ra. Có thể tăng sản xuất điện bằng cách cho hơi thoát trực tiếp ra khí quyển, nhưng cách này rất không hiệu quả. Điều đó dẫn tới việc lãng phí nước lò hơi đã qua xử lý, và nhất là mang lại kết quả hoạt động năng lượng và kinh tế kém. 28 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT b) Tuabin ngưng hơi có cửa trích Ở hệ thống này (hình 2.8), hơi bão hòa sau lò hơi có áp suất và nhiệt độ P0, t0 đi vào để quay tuabin, sau đó hơi sử dụng cho tải nhiệt có thể đạt được nhờ trích hơi từ hai cấp trung áp với áp suất và nhiệt độ phù hợp với các nhu cầu kỹ thuật (Q1, Q2). Hơi còn lại được xả tới áp suất của bình ngưng, có thể ở mức thấp khoảng 0,05 bar với nhiệt độ ngưng tương ứng khoảng 33°C và được làm mát bằng tháp giải nhiệt. Nước ngưng sau đó được bơm về lại lò hơi. Hình 2.8 Tuabin ngưng hơi có cửa trích Hệ thống tuabin ngưng hơi có cửa trích có những ưu điểm sau: Tạo ra lượng điện năng lớn. Kiểm soát được công suất điện đầu ra, không phụ thuộc vào tải nhiệt nhờ điều chỉnh tốc độ lưu lượng hơi qua tuabin. Hệ thống tuabin ngưng hơi có cửa trích có những ưu điểm sau: Chi phí đầu tư cao cùng với nhiều thiết bị phụ trợ. Hiệu suất tổng thể của hệ thống thấp do trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài trong quá trình ngưng tụ 29 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT Thường được sử dụng trong các hệ thống quy mô công nghiệp lớn, với nhiều thành phần phức tạp. 2.3.2 Lựa chọn sơ đồ hệ thống Đồng phát cho Công ty Dệt may A Có thể thấy, ưu điểm lớn nhất của tuabin ngưng hơi có cửa trích so với tuabin đối áp là có thể kiểm soát công suất điện đầu ra, nhờ khả năng điều chỉnh lượng hơi qua tuabin ở các cửa trích, tuy nhiên hệ thống này cũng yêu cầu nhiều thiết bị phụ trợ hơn hệ thống tuabin đối áp. Vì thế hệ thống dùng tuabin ngưng hơi chỉ phù hợp cho quy mô công suất lớn, có công suất điện hàng chục MW trở lên. Ở đây, công ty Dệt may A có quy mô nhỏ nên phương án phù hợp là sử dụn tuabin đối áp. Đây là phương án có tính kinh tế vì sơ đồ với tuabin đối áp đơn giản, chi phí đầu tư thấp hơn nhiều so với hệ thống với tuabin ngưng hơi có cửa trích. Do công nghệ của nhà máy dệt may cần 2 dòng cung cấp nhiệt có nhiệt độ khác nhau, ta xây dựng sơ đồ tuabin đối áp có 1 cửa trích điều chỉnh để đáp ứng nhu cầu đó, hệ thống được mô tả như hình 2.9 Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống Đồng phát Nguyên lí của hệ thống Đồng phát, hơi bão hòa ra khỏi lò hơi đi vào làm quay tuabin. Ở cửa trích 1 của tuabin, hơi ở áp suất P1 sẽ được trích ra để phục vụ nhu cầu 30 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT sấy (Q1) của công ty, nước ngưng sau đó vẫn còn nhiệt độ cao sẽ đi vào bình phân ly 1 tách thành hơi có áp suất P2 gộp chung với dòng hơi ở cuối tuabin để phục vụ nhu cầu nhuộm và định hình vải (Q2), nước ngưng sau đó sẽ cùng với nước ngưng ở bình phân ly 1 đi vào bồn nước ngưng để cấp cho lò hơi, ở đây nước cấp sẽ được bổ sung và được khử khí bằng hóa chất và được bơm về lò hơi. Tại lò hơi, để tranh cáu cặn, một phần nhỏ nước tại lò hơi sẽ được xả đáy, tuy nhiên để tận dụng nhiệt lượng của phần nước xả đáy này, nó sẽ được đi vào binh phân ly 2, hơi nước phân ly thành hơi áp suất P2, gộp chung với dòng hơi ở bình phân ly 1 phục vụ nhu cầu nhuộm và định hình vải. Nước sau bình phân ly 2 sau đó vẫn được tận dụng để gia nhiệt nước bổ sung do phần xả đáy mất đi và được đưa ra ngoài môi trường. Do lò hơi ở Công ty đang sử dụng lò hơi đốt than cám, vậy ta sẽ chọn lò hơi cho hệ thống Đồng phát là lò hơi chạy bằng than cám đáp ứng được nhu cầu kỹ thuật của hệ thống Đồng phát trên. Có thể thấy công suất hệ thống Đồng phát này tương đối nhỏ nên không cần sử dụng bộ hâm nước cấp và để hệ thống đỡ phức tạp ta lựa chọn khử khí bằng hóa chất. 31 CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT 3.1 Thông số hơi ban đầu Với sơ đồ Hình 2.9, đầu tiên cần xác định thông số hơi ban đầu gồm có nhiệt độ t0 và áp suất P0 của hơi trước tuabin. Ở các hệ thống phát điện tuabin hơi đốt nhiên liệu thường sử dụng hơi quá nhiệt được có trạng thái được xác định bởi nhiệt độ và áp suất. Tăng thông số hơi ban đầu nhằm mục đích tăng hiệu suất của chu trình và nhiệt giáng trong tuabin là một trong các biện pháp chủ yếu để tiết kiệm nhiên liệu trong các nhà máy điện. Hiệu quả năng lượng của sự tăng nhiệt độ hơi ban đầu có thể thấy được qua ví dụ của chu trình Carnot qua công thức sau và hình 3.1 Hiệu suất của quá trình Carnot: et T0 Tk T 1 k T0 T0 với T0, Tk – nhiệt độ ban đầu và cuối của chu trình. Hình 3.1 Đồ thị t-s thể hiện quá trình tăng nhiệt độ [21] 32 CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT Ta thấy hiệu suất et tăng tương đối nhanh nếu tăng T0. Tuy nhiên nhiệt độ cao làm cho tính bền và công nghệ của kim loại bị giảm sút, đòi hỏi phải sử dụng kim loại tốt hơn, đắt tiền hơn. Một số vật liệu ứng với nhiệt độ vào như bảng 3.1 Bảng 3.1 Vật liệu ứng với nhiệt độ hơi [21] Nhiệt độ hơi ban đầu Vật liệu 1 < 450 oC Thép Cacbon 2 450 oC – 550 oC Thép hợp kim peclit 3 450 oC – 550 oC Thép ferit-mactensit 4 450 oC – 550 oC Thép ostennit Tăng áp suất hơi ban đầu (hình 3.2) cũng làm tăng hiệu suất của chu trình, trừ cùng gần tới hạn của trạng thái hơi. Ở vùng này khi tăng áp suất hơi bão hòa lẫn hơi quá nhiệt ở nhiệt độ cho trước, hiệu suất của chu trình có hể bị giảm, thiết bị chịu áp lực cao. Hình 3.2 Đồ thị thể hiện quá trình tăng áp suất [21] Việc lựa chọn thông số hơi ban đầu phải đảm bảo tính kinh tế và kỹ thuật, có hiệu quả nhất vẫn là tăng đồng thời nhiệt độ và áp suất ban đầu của hơi. Hình 3.3 thể hiện cặp thông số hơi bạn đầu, là cặp (to, Po) tương ứng với độ ẩm cuối cho trước trong tuabin. 33 CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT Hình 3.3 Thông số ban đầu kết đôi [21] Ngày nay, có nhiều hãng sản xuất chế tạo tuabin đáp ứng thông số hơi ban đầu có hiệu suất cao, phù hợp với nhiều quy mô hệ thống nhiệt điện. Hệ thống Đồng phát Công ty dệt may A được coi là có quy mô nhỏ và để dễ dàng trong việc lắp đặt ta chọn tuabin có thể chế tạo tại Việt Nam, những điều kiện trên hoàn toàn phù hợp với Hitachi – một hãng sản xuất và chế tạo tuabin của Nhật. Dưới đây là bảng thông số của tuabin theo catalogue của hãng với sơ đồ như bảng 3.1 Bảng 3.2 Tiêu chuẩn tuabin Hitachi Rated ouput steam of turbine 2000 2500 3000 4000 5000 6000 7500 10000 12500 15000 20000 2500 3125 3750 5000 6250 7500 9375 12500 15625 18750 2500 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 0.80 30 30 40 40 40 40 60 30 30 30 30 (40) (40) (30) (30) (30) (30) (40) 410 410 435 435 435 435 485 (435) (435) (410) (410) (410) (410) (435) (kW) Generator capacity (kVA) Power factor Steam pressure at turbine inlet (kg/cm2g) Steam temperature at turbine outlet (oC) 410 410 410 410 34 CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT Với định hướng là chế taọ lò hơi trong nước, ta chọn thông số hơi ban đầu là: + Áp suất: P0 = 40+1 = 41kg/cm2a = 40 bar_a (làm tròn) + Nhiệt độ: t0 = 435oC. Có thể thấy ở nhiệt độ 435oC, tuabin không cần sử dụng hợp kim mắc tiền mà chỉ cần chế tạo bằng thép cacbon đã có thể đáp ứng nhiệt độ này. Và hiện nay, công nghệ chế tạo nước ta đã có thể chế tạo ra các lò hơi đáp ứng được áp suất 40 bar, như công ty Martech đã có thể chế tạo lò hơi tầng sôi với áp suất thiết kế lên đên 40 bar. 3.2 Thông số hơi sau tuabin và hơi trích Hệ thống sử dụng là tuabin đối áp có một cửa trích cung cấp 2 dòng hơi có áp suất khác nhau. Dòng hơi sau tuabin cấp hơi cho công đoạn nhuộm có áp suất thấp và cửa trích cấp hơi cho công đoạn sấy và định hình vải có áp suất cao. Áp suất 2 dòng hơi này được duy trì ổn định trong suốt thời gian hoạt động của hệ thống. Áp suất và lưu lượng được cửa trích được điều chỉnh bởi bộ điều chỉnh áp suất. Tuabin loại này có cấu tạo như hình 3.4 Hình 3.4 Mặt cắt tuabin đối áp có cửa trích điều chỉnh 35 CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT - Thông số hơi thoát sau tuabin dùng để cấp cho công đoạn nhuộm, có áp suất là P2 = 3 bar. - Hơi trích đáp ứng nhu cầu kỹ thuật công đoạn sấy và định hình vải có nhiệt độ bão hòa t1 = 200 oC. Tương ứng, áp suất hơi bão hòa P1 = 15,5 bar. Ngoài ra tại bình phân ly PL1, hơi nước được phân ly tới áp suất P2 = 3 bar với nhiệt độ bão hòa để phục vụ công đoạn nhuộm, tận dụng nhiệt lượng của nước nóng. 3.3 Xác định trạng thái hơi nước trong các tầng tuabin, xây dựng trạng thái làm việc của hơi trên giản đồ I_s - Trạng thái hơi vào tuabin, bỏ qua tổn thất vào tuabin: t 0 435 C i0 3296kJ / kg Điểm O: → P 40 bar s0 6,888kJ / kg.K 0 - Xác định điểm giãn nở lý thuyết, trạng thái hơi cuối tuabin: P2 3 bar Điểm 2: → i 2lt 2683kJ / kg s s 6,888 kJ / kg . K 0 2lt - Với hiệu suất trong tương đối được chọn là: + 0i 0,87 + Nhiệt giáng lý thuyết: H0 i0 i 2lt 3296 2683 613kJ / kg + Nhiệt giáng thực tế: Hi H0 .0i 0,87.630 533kJ / kg - Điểm 2 thực tế có enthalpy: i 2 i0 Hi 2763kJ / kg - Trạng thái hơi ở cửa trích 1: + Cửa trích 1, hơi có P1 = 15,5 bar, theo đường nhiệt giáng thực tế, ta có: Điểm 1 : i1 = 3064 kJ/kg. Quá trình giãn nở của hơi nước trong tuabin được biểu diễn trên đồ thị i-s như hình 4.1 36 CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT Hình 3.5 Đồ thị i-s của hơi trong tuabin Thông số hơi cho các quá trình công nghệ: - P1 15,5bar Thông số hơi cấp cho quá trình sấy: t1 300 o C i 3064 kJ / kg 1 - P2 3bar Thông số hơi cấp cho quá trình nhuôm và định hình vải: t 2 150 o C i 2763kJ / kg 2 37 CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT 3.4 Xác định lưu lượng các dòng hơi Xuất phát từ thực tế sơ đồ công nghệ, trình tự tính toán lưu lượng các dòng hơi sơ đồ nhiệt như sau: - Từ nhu cầu nhiệt lượng cửa trích, xác định lưu lượng trích cần thiết. - Xác định lượng hơi phân ly từ cửa trích 1. - Tính lượng hơi phân ly nước xả lò. - Xác định lưu lượng hơi thoát ra cuối tuabin D2. Từ các thông số trên, ta tính toán được công suất tuabin hơi nước. 3.4.1 Lưu lượng hơi tại cửa trích 1 Hơi từ cửa trích 1 trao đổi nhiệt với không khí sấy qua thiết bị trao đổi nhiệt TĐN1, với sơ đồ như hình 3.6 Hình 3.6 Trao đổi nhiệt ở thiết bị trao đổi nhiệt TĐN1 Từ sơ đồ trên, xác định nhiệt lượng quá trình sấy và định hình vải ở cửa trích 1, bỏ qua tổn thất môi trường bên ngoài là: Qd Q1 D1.(i1 i1' ) 6000kW , với P1 = 15,5 bar, tra bảng "nước và hơi nước bão hòa"[14], ta có: i1' i'bh1 852, 4kJ / kg 38 CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT - Lưu lượng hơi cửa trích 1: D1 6000 / (3064 852, 4) 2,713kg / s hay D1 9,767 t / h 3.4.2 Lưu lượng hơi phân ly từ cửa trích 1 Ta có cân bằng nhiệt bình phân ly 1 như hình 3.7 Hình 3.7 Bình phân ly PL1 i'bh 2 561,6kJ / kg Tra bảng nước và hơi nước bão hòa [1] với P2 3bar '' , i 2725kJ / kg bh 2 enthalpy của môi chất trong bình phân ly 1: i PL1 i1' 852, 4kJ / kg - Độ khô của hơi trong bình phân ly 1: x - 852, 4 561,6 0,1344 2725 561,6 Lưu lượng hơi ra khỏi bình phân ly 1: DPL1 x.D1 0,1344.2,64 0,3646 kg / s - Lưu lượng lỏng ra khỏi bình phân ly 1: D1' (1 x).D1 (1 0,1344).2,64 2,348kg / s 3.4.3 Lưu lượng hơi cuối tuabin D2 - Nhiệt lượng quá trình nhuộm theo sơ đồ hình 3.8 là: 39 CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT Q2 Qh Dh .(i 2 i '2 ) 14000kW , tra bảng "nước và hơi nước bão hòa" [14] có i2' ibh' 2 561, 6 kJ / kg - Lưu lượng hơi phục vụ quá trình nhuộm : Dh 14000 / (2763 561,6) 6,316kg / s Hình 3.8 Trao đổi nhiệt ở thiết bị trao đổi nhiệt TĐN2 - Cân bằng lưu lượng hơi thiết bị trao đổi nhiệt TĐN2: Dh D2 DPL1 . Lưu lượng hơi cuối tuabin là: D2 Dh DPL1 6,361 2,348 5,996kg/ s 3.5 Công suất điện của tổ máy - Dòng hơi vào tuabin: D0 D1 D2 2,713 5,996 8,709kg / s 31,35t / h Với lưu lượng hơi vào tuabin D0 31,35 t / h ta chọn lò hơi để cung cấp hơi cho tuabin có lưu lượng tối đa là 35 t / h - Công suất trong của tuabin: Ni D1.(i0 i1 ) D2 .(i0 i 2 ) 2,713.(3296 3064) 5,996.(3296 2763) 3825kW - Chọn: + Hiệu suất cơ: c 0,98 40 CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT + Hiệu suất điện: i 0,98 - Công suất điện của tuabin: N = Ni. 𝜂𝑐 . 𝜂𝑖 = 3673 kW, đáp ứng được 70% tổng công suất điện năng của công ty. - Kiểm tra chỉ số nhiệt năng/điện năng: Q/N = 1400/3673 = 5,445 Chỉ số nhiệt năng/điện năng nằm trong khoảng chỉ số thỏa mãn với tuabin hơi đối áp và tăng so với chỉ số ban đầu, nên điện năng cung cấp cho công ty Dệt may A cần bổ sung thêm điện lưới khoảng 30%. 3.6 Tính lưu lượng các dòng phụ Theo hình 4.5, chọn rò rỉ đường ống bằng 5% (Dbs = Dxả+0,05.D0), ta có phương trình cân bằng sau: Dnc = 0,95.D0 + DPL2 +Dbs Hình 3.9 Các dòng hơi phụ - Chọn % xả đáy lò hơi: ∝xả = 0,01→ Dxả(lò) = DPL2 + Dxả = 0,01.Dnc = Dx. - Lưu lượng nước cấp cho lò hơi: D nc D0 0,01.D nc D nc - D0 8,709 8,797 kg / s 31,67 t / h 1 0,01 0,99 Lưu lượng nước bổ sung: Dbs = 0,5 kg/s 41 CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT - Phương trình cân bằng nhiệt bồn nước cấp: Dnc .i nc 0,95D0 .i'2 DPL2 .i'2 Dbs .i'bs Bình phân ly 2 (hình 4.6) có lưu lượng xả Dxả sau khi ra khỏi bình phân ly sẽ được tận dụng để gia nhiệt nước cấp. Hình 3.10 Bình phân ly PL2 Với P0 = 40 bar, tra bảng ''nước và hơi nước bão hòa" [14] có ibh' 0 1087 kJ / kg , enthalpy của môi chất trong bình phân ly 1: i PL2 i'bh0 1087 kJ / kg - Độ khô của hơi trong bình phân ly 2: x - 1087 561,6 0, 2429 2725 561,6 Lưu lượng hơi ra khỏi bình phân ly 2: DPL2 x.0, 01.Dnc 0, 2429.0,01.8,797 0,021 kg / s - Lưu lượng nước xả khỏi bình phân ly 2: Dxả = (1 x).0,01.Dnc (1 0, 2429).0,01.8,797 0,066 kg / s Ở bình gia nhiệt nước bổ sung, chọn nhiệt độ nước bổ sung khi vào bình gia nhiệt thấp hơn nhiệt độ nước xả ra ngoài môi trường là: 15oC. Ta có: t'xả = 45oC. - Cân bằng nhiệt lượng bình gia nhiệt nước bổ sung, theo hình 3.9: 42 CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT Dbs.(i’bs - ibs)=Dxả.(ixả - i'xả), với ixả = i'bh2 0,5.4,2.(t'bs - 30)=0,066.(561,6 - 4,2.45) t'bs = 41,77oC. Nhiệt độ nước bổ sung ra khỏi bình gia nhiệt: t'bs = 41,77oC. - Enthalpy nước bổ sung khi ra khỏi bình gia nhiệt: i’bs = 4,2.t'bs = 175,4 kJ/kg. Thế vào phương trình (1) , ta có: i nc .8,797 0,95.8,709.561,6 0,02137.2725 0,5.175, 4 a 2 b 2 → i nc 544,7 kJ / kg - Nhiệt độ nước cấp: t nc i nc 129,7C 4, 2 3.7 Công suất bơm Hệ thống gồm có 2 bơm gồm: bơm cấp và bơm nước ngưng. Bơm ngưng bơm nước ngưng trực tiếp từ tuabin đến bồn nước cấp, sau đó nước từ bồn nước cấp được bơm cấp vận chuyển đến lò hơi. Nước cấp có nhiệt độ cao, để tránh hiện tượng xâm thực ta bố trí bồn nước cấp cao hơn bơm nước cấp 17m. 3.7.1 Bơm cấp Bơm cấp là thiết bị quan trọng của nhà máy, bơm cấp làm việc ổn định sẽ đảm bảo được sự hoạt động hiệu quả của lò hơi, bố trí bơm cấp được thể hiện ở hình 4.3. Công suất của bơm cấp được xác đinh theo lưu lượng nước cấp và cột áp được chọn như sau: - Lưu lượng bơm: Qbc = Dnc = 8,797 kg/s - Chọn cột áp: H bc 1, 25P0 50bar = 509,87 mH 2O - Chọn hiệu suất bơm cấp: bc 0,75 - Công suất bơm cấp: Pbc g.Qbc .H bc 9,81.8,797.509,87 58,67 kW 1000.bc 1000.0,75 43 CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT Hình 3.11 Ví dụ bố trí bơm cấp Hình 3.11 là ví dụ về bố trí các bơm cấp trong nhà máy. Ở đây có 3 bơm, mỗi bơm đáp ứng 50% lưu lượng gồm 2 bơm vận hành và 1 bơm dự phòng. 3.7.2 Bơm ngưng Bơm ngưng làm nhiệm vụ bơm nước ngưng sau công nghệ đến bồn nước cấp. Để lựa chọn được bơm ngưng ta cần tính hai thông số cơ bản của bơm là cột áp và lưu lượng. Bố trí bơm ngưng được thể hiện ở hình 4.4 - Lưu lượng bơm: Qbn D0 8,709 kg / s - Với độ cao bồn chứa 17m, ta chọn cột áp bơm ngưng, có kể đến trở lực đường ống. H bc 2atm 20,66 mH 2O - Công suất bơm ngưng Pbn g.Qbn .H bn 9,81.8,709.20,66 2,354kW 1000.bn 1000.0,75 44 CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT Hình 3.12 Ví dụ bố trí bơm ngưng Hình 3.12 là ví dụ về bố trí bơm nước ngưng, gồm 1 bơm vận hành và 1 bơm dự phòng. 3.8 Xác định các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của sơ đồ nhiệt Hiệu suất của hệ thống đồng phát bằng tổng của hiệu suất phát điện với hiệu suất cấp nhiệt. Do vậy, chúng ta phải tiến hành tính toán riêng hai thành phần hiệu suất này. - Suất tiêu hao hơi: d0 - 3600.D0 3600.8,079 8,536 kg / kWh N 3673 Tiêu hao nhiên liệu cho tuabin: QTU D0 .(i 0 i nc ) D bs .(i nc i 'bs ) 8,709.(3296 544,8) 0,0666.(544,8 175, 4) 23772 kW - Suất tiêu hao nhiệt tuabin: q TU - 3600.Q TU 3600.23772 23298 kJ / kWh N 3673 Phụ tải nhiệt lò hơi: 45 CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT Chọn enthalpy của hơi ra khỏi lò hơi i i 0 3296 kJ / kg Qlh D0 .(i i nc ) 8,709.(3296 544,8) 23957 kW - Dự kiến hiệu suất lò hơi: lh 0,87 . Giá trị hiệu suất này sẽ được tính toán kiểm tra trong phần lựa chọn lò hơi, mục 4.2.1 trang 57. - Tiêu hao nhiệt cho hệ thống: Qlh 23957 27536kW lh 0,87 Q - Tiêu hao nhiên liệu cho hệ thống: Q 27536 1,196kg / s 4305kg / h Qth 23027 B với nhiệt trị thấp của than cám Indonesia: Qth 5500kcal / kg 23027 kJ / kg . - Suất tiêu hao nhiên liệu hệ thống: b - B.1000 1, 239.3600 .3600 1,172 kg / kWh N 3673 Hiệu suất điện của hệ thống: e - Hiệu suất nhiệt hệ thống: th - N 3673 13,3% Q 27536 Q1 Q 2 14000 6000 72,6% Q 27536 Hiệu suất tổng của hệ thống đồng phát: CHP e t 13,3 72,6 85,9% Kết quả tính trên cho thấy sử dụng hệ thống đồng phát có hiệu suất tổng cao giúp giảm nhiên liệu để sản xuất nhiệt năng và điện năng. 3.9 Xác định kích thước các ống dẫn chính Chọn sơ bộ vận tốc của môi chất chuyển động trong ống theo cáo giá trị cho phép và hợp lý về mặt kinh tế theo bảng 9.4 [1] Đường kính trong của ống được xác định theo phương trình: 46 CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT .d 2t D.v f 4 Trong đó: dt – đường kính trong tính toán của ống, m. V – lưu lượng thể tích của môi chất, m3/kg. D – lưu lượng trọng lượng của môi chất, kg/s. v – thể tích riêng của môi chất, m3/kg. ω – vận tốc chuyển động của môi chất, m3/kg. Ta có: dt 4.D.v . 3.9.1 Đoạn ống dẫn hơi từ lò hơi đến tuabin và từ tuabin đến các thiết bị trao đổi nhiệt cho nhu cầu sấy, nhuộm, định hình vải - Đoạn ống dẫn hơi mới từ lò hơi đến tuabin có vận tốc sơ bộ được chọn là: ω = 60 m/s. - Tra bảng "Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt" [14] ở nhiệt độ 435oC và áp suất 40 bar, ta có: v = 0,078 m3/kg. - Đường kính trong: dt 4.D0 .v 4.8,709.0,078 .1000 .1000 120mm . .60 Chọn ống thép đúc DN125 tiêu chuẩn SCH160. 3.9.2 Đoạn ống dẫn nước ngưng chính - Đoạn ống dẫn nước ngưng có vận tốc sơ bộ được chọn là: ω = 2 m/s. - Tra bảng "Nước và hơi nước bão hòa" [1] ở áp suất 3 bar, ta có: v = 0,0010733 m3/kg. - Ta có: dt 4.D0 .v 4.8,709.0,0010733 .1000 .1000 80mm . .2 47 CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT Chọn ống DN90 ( 3 ½ inch ) tiêu chuẩn SCH80. 3.9.3 Đoạn ống dẫn nước cấp - Đoạn ống dẫn nước cấp có vân tốc sơ bộ được chọn là: ω = 2 m/s. - Tra bảng "Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt" [1] ở áp suất 3 bar và nhiệt độ 129,7oC, ta có: v = 0,001069 m3/kg. - Ta có: dt 4.Dnc .v 4.8,797.0,001069 .1000 .1000 80mm . .2 Chọn ống DN90 ( 3 ½ inch ) tiêu chuẩn SCH80. 3.10 Tóm tắt tính toán sơ đồ nhiệt Từ các kết quả tính toán nhiệt ta bổ sung các thông số áp suất, nhiệt độ và lưu lượng cho các dòng trong sơ đồ nhiệt đã xây dựng ở hình 3.13 và thông số các kết quả chính ở bảng 3.2 Hình 3.13 Các thông số cơ bản của hệ thống 48 CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN THÔNG SỐ VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ NHIỆT Bảng 3.3 Các kết quả chính 1 Lưu lượng hơi cấp cho tuabin D0 t/h 31,35 2 Lưu lượng hơi trích D1 t/h 9,77 3 Lưu lượng hơi sau tuabin D2 t/h 21,58 4 Lưu lượng nước cấp Dnc t/h 31,67 5 Lưu lượng nước bổ sung Dbs t/h 1,8 6 Lưu lượng nước xả ra môi trường Dxả t/h 0,24 7 Công giãn nở hơi nước trong tuabin Hi kJ/kg 533 8 Suất tiêu hao nhiệt tuabin qTU kJ/kWh 23298 9 Tiêu hao nhiên liệu hệ thống B kg/h 10 Suất tiêu hao nhiệt hệ thống b kg/kWh 1,172 11 Hiệu suất điện hệ thống e % 13,3 12 Hiệu suất nhiệt hệ thống th % 72,6 13 Hiệu suất tổng hệ thống CHP % 85,9 49 4305 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ Trong chương này, chúng ta tính toán và lựa chọn các thiết bị chính bao gồm: - Lựa chọn lò hơi, tính toán thể tích khói và không khí, cũng như các thiết bị chính của sơ đồ ( quạt, kích thước chiều cao ống khói). - Tính toán kích thước bình phân ly. - Tính toán bình trao đổi nhiệt. 4.1 Lò hơi Lò hơi là một trong các thiết bị chính của hệ thống Đồng phát, nhà máy nhiệt điện. Đề xuất kiểu lò hơi , để đốt than cám hiệu quả trong lò hơi công nghiêp, lựa chọn kiểu lò hơi tầng sôi tuần hoàn theo nguyên lý được mô tả sau đây. Tại lò hơi chất công tác (nước, không khí, Nito…) nhận nhiệt từ quá trình cháy của nhiên liệu để có năng lượng lớn sau đó vào tua bin giãn nở sinh công làm quay máy phát điện hoặc đi tới nơi tiêu thụ nhiệt. Sơ đồ như hình 4.1 Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống lò hơi tầng sôi tuần hoàn 50 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ 1. Hệ thống nhiên liệu 06. Quạt khói 2. Buồng lửa 07. Ống khói 3. Xyclon 08. Bộ xử lí bụi 4. Bộ quá nhiệt 09. Quạt khói 5. Bộ hâm nước 10. Ống khói Hình 4.2 Sơ đồ mặt cắt ngang lò hơi đề xuất Nguyên lý hoạt động: Lò hơi tầng sôi đốt than cám Indo, lò được thiết kế lò ống nước tuần hoàn tự nhiên có 2 balong nằm ngang (Hình 4.2). Balong trên và balong dưới 51 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ liên kết với nhau bằng các ống nước đối lưu. Nhiên liệu được đốt trong buồng lửa tầng sôi, khói và tro thoát khỏi thân lò tới xyclon các hạt nhẹ hơn sẽ thoát khỏi xyclon, còn các hạt nặng hơn được ly tâm thu về đáy cấp vào lò qua bộ tái cấp nhiên liệu tuần hoàn. Tiếp đó dòng sản phẩm cháy đi qua dàn ống quá nhiệt bố trí ở phía trên buồng lửa truyền nhiệt đối lưu cho dàn ống sinh hơi đối lưu. Sau đó khói đi qua dàn ống đối lưu theo đường dích dắc. Đi qua bộ hâm nước, cuối cùng vào bộ sấy không khí được bố trí ở phía trên dàn ống sinh hơi đối lưu. Khói được dẫn qua thiết bị xử lý khói là xyclon để xử lý trước khi quạt hút khói thải ra môi trường. 4.2 Tính toán một số thiết bị phụ trên đường cấp không khí và thải khói của lò hơi 4.2.1 Tính toán quá trình cháy Tính toán quá trình cháy để xác định lưu lượng không khí cần thiết và thể tích khói thải từ đó có thể chọn được công suất quạt tương ứng cho hệ thống lò hơi. Lò hơi sử dụng nhiên liệu than cám Indonesia có thành phần như bảng 4.1 Bảng 4.1 Thành phần than cám [12] Thông số Than cám Indonesia Độ ẩm, % 9,43 Chất khoáng (1,1 x Tro xỉ), % 13,99 Cacbon, % 58,96 Hydro, % 4,16 Nito, % 1,02 Lưu huỳnh, % 0,56 Oxy, % 11,88 Nhiệt trị cao, kcal/kg 6300 Nhiệt trị thấp, kcal/kg 5500 52 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ a) Thể tích không khí - Thể tích không khí lý thuyết (để đốt cháy hoàn toàn 1 kg than cám, cần lượng Oxy tương ứng với một lượng không khí lý thuyết) là: Vkk0 0,089.(Clv 0,0375.Slv ) 0, 265.H lv 0,033.O lv 0,089.(58,96 0,0375.0,56) 0, 265.4,16 0,033.11,88 5,97 m3tc / kg - Đốt than cám trong buồng đốt tầng sôi, chọn hệ số không khí thừa nằm trong khoảng 1,15 1,3 . Chọn 1,3 - Thể tích không khí thực tế: Vkk .Vkk0 1,3.5,97 7,77 m3 / kg b) Thể tích sản phẩm cháy Quá trình cháy diễn ra trong buồng lửa lò hơi, gồm các thành phần: CO2, SO2, N2, O2, H2O. - Thể tích khí 3 nguyên tử RO2 sinh ra khi đốt than cám: VRO2 0,0187.(Clv 0,375.Slv ) 0,0187.(58,96 0,375.0,56) 1,1m3tc / kg - Thể tích khí Nitơ lý thuyết sinh ra khi đốt 1 kg than cám : VN0 2 0,79.Vkk0 0,008.N lv 0,79.5,97 0,008.1,02 4,73m3tc / kg - Thể tích hơi nước lý thuyết sinh ra khi đốt 1 kg than cám: VH0 2O 0,112.H lv 0,0124.W lv 0,0161.Vkk0 0,112.4,16 0,0124.9, 43 0,0161.5,97 0,68m3tc / kg - Thể tích hơi nước thực tế sinh ra khi đốt 1 kg than cám: 53 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ VH2O 0,112.H lv 0,0124.W lv 0,0161..Vkk0 0,112.4,16 0,0124.9, 43 0,0161.1,3.5,97 0,708m3 / kg - Tổng thể tích sản phẩm cháy Vk VRO2 VN0 2 VH2O ( 1).Vkk0 1,1 4,73 0,71 (1,3 1).5,97 8,33m3 / kg c) Enthalpy của không khí và sản phẩm cháy - Enthalpy của khói lý thuyết I0k VRO2 .(Ct)RO2 VN2 .(Ct) N2 VH2O .(Ct)H2O - Enthalpy của không khí lý thuyết I0kk Vkk0 .(Ct)kk - Enthalpy của khói thực tế Ik Ith I0k ( th 1).I0kk I0H2O I0tro Trong đó: - Enthalpy của hơi nước do không khí thừa mang vào I0H2O 0,0161( th 1).Vkk0 .(Ct)H2O - Hệ số không khí thừa của khói thải Hệ số không khí thừa ở từng nơi trong đường khói lò hơi được xác định bằng các công hệ số không khí thừa của buồng lửa với lượng không khí lọt ∆α vào đường khói. Các giá trị ∆α cụ thể được chọn theo tài liệu [2] – trang 34: th 0 bl qn skk hn 1,3 0,05 0,05 0,05 0,03 1,48 Với: bl 0,05 , buồng lửa qn 0,05 , bộ quá nhiệt skk 0,05 , bộ sấy không khí hn 0,05 , bộ hâm nước một cấp 54 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ Tính toán Enthalpy của khói thải và khói trong buồng lửa theo bảng 3.3 [1] như bảng dưới đây. Bảng 4.2 Enthalpy của khói thải và khói trong buồng lửa theo nhiệt độ Nhiệt độ, °C 100,0 200,0 300,0 400,0 500,0 600,0 700,0 800,0 900,0 1000,0 1100,0 1200,0 1300,0 1700,0 1800,0 1900,0 2000,0 2100,0 2200,0 2300,0 2400,0 2500,0 Ctkk ,kJ/kg 129,9 216,6 394,8 531,2 670,9 813,3 958,8 1090,5 1256,9 1408,7 1562,5 1718,1 1874,8 2512,2 2674,2 2836,3 3000,0 3163,0 3327,5 3492,3 3658,0 3823,0 CtR02 ,kJ/kg 170,0 357,4 558,8 771,8 994,3 1224,6 1431,0 1704,8 1952,2 2203,5 2458,3 2716,5 1976,7 4035,3 4304,7 4573,9 4814,2 5115,3 5386,4 5658,4 5930,4 6202,7 CtN2 ,kJ/kg 129,5 259,0 302,0 526,5 683,8 804,1 947,52 1093,6 1239,8 1391,7 1513,7 1697,1 1852,7 2484,0 2643,6 2804,0 2965,0 3127,3 3289,2 3452,3 3615,3 3778,5 CtH2O ,kJ/kg 151,0 304,4 462,7 626,1 794,8 968,8 1148,8 1334,4 1526,1 1722,9 1925,1 2132,2 2343,6 3229,3 3458,3 3600,5 3925,6 4163,0 4401,9 4643,4 4887,6 5132,0 Cttro ,kJ/kg 81,0 169,8 261,0 360,0 458,0 560,0 662,5 768,0 825,0 985,0 1092,0 1212,0 1300,0 2065,0 2185,0 2385,0 2514,0 2640,0 2762,0 2760,0 2760,0 2762,0 Ith , kJ/kg 1288,98 2474,68 3533,37 5347,41 6867,45 8233,38 9695,07 11208,7 12794,4 14379,9 15834,6 17592,7 18119,1 25907,0 27599,2 29237,6 30979,1 32728,8 34448,1 36168,2 37892,9 39616,3 Ibl , kJ/kg 1146,5 2236,3 3100,5 4765,1 6131,9 7341,6 8643,6 10012,4 11415,8 12834,6 14120,3 15707,5 16061,6 23148,4 24662,4 26124,1 27683,8 29254,0 30792,2 32330,8 33873,0 35414,7 d) Cân bằng nhiệt trong lò hơi Nhiệt lượng từ quá trình cháy được sử dụng để sinh hơi. Lượng nhiệt sinh là nhiệt lượng hữu ích, nhiệt lượng bị mất trong quá trình làm việc là nhiệt lượng tổn thất. Khi đốt cháy 1kg nhiên liệu, phương trình cân bằng nhiệt được viết như sau: Qdv Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Trong đó: Qdv – Tổng nhiệt lượng đưa vào buồng lửa của lò hơi (kJ/kg). 55 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ Q1– Nhiệt lượng hữu ích dùng dể sinh hơi (kJ/kg). Q2– Nhiệt lượng tổn thất do khói thải thải mang ra ngoài (kJ/kg). Q3 – Nhiệt lượng tổn thất do cháy không hoàn toàn về mặt hoá học (kJ/kg). Q4– Nhiệt lượng tổn thất do cháy không hoàn toàn về mặt co học (kJ/kg). Q5– Nhiệt lượng tổn thất do toả nhiệt ra môi truờng xung quanh (kJ/kg). Q6– Nhiệt lượng tổn thất do tro xỉ mang ra ngoài (kJ/kg). Ta có: Qdv Q Q Q Q Q Q .100 1 .100 2 .100 3 .100 4 .100 5 .100 6 .100 Qdv Qdv Qdv Qdv Qdv Qdv Qdv hay 100% q1 q 2 q3 q 4 q5 q 6 - Với nhiệt lượng đưa vào buồng lửa: Qdv Qlvt Qnl Qkkn 23027 Trong đó: Qdv 23027 kJ / kg , nhiệt trị thấp của nhiên liệu. Qkkn Lấy giá trị Qkkn 0 vì không khí được sấy từ khói lò. Q nl Nhiệt vật lý của nhiên liệu, bỏ qua (không sấy). - Tổn thất do cháy không hoàn toàn về mặt hóa học, phụ thuộc vào loại nhiên liệu và buồng lửa: Chọn q3 0,5% - Tổn thất do cháy không hoàn toàn về mặt cơ học, phụ thuộc vào loại nhiên liệu và buồng lửa: Chọn q 4 5% - Nhiệt lượng tổn thất do tỏa nhiệt ra môi trường, phụ thuộc và công suất lò hơi Hình 3.2 [2]: Chọn q5 1, 2% 56 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ - Tổn thất do thải xỉ: a x .(Ct) x .A lv 0,5.560.13,99 q6 0,17 % Qdv 23073 Nhiệt độ khói thải trong quá trình thiết kế phải chọn trước với các giá trị tối ưu. Đối với các lò hơi đốt than có phần đuôi có thể chọn nhiệt độ khói thải 160oC trong trường hợp phun tải, trong trường hợp lò hơi chạy non tải có thể đảm bảo nhiệt độ đọng sương của khói thải. - Tổn thất năng lượng do khói thải mang ra ngoài: Q 2 (I th I kkl ).(1 q4 ) 100 (2000, 4 402, 4).(1 5 ) 100 1518kJ / kg Trong đó: Ith = 2000,4 kJ/kg – Enthalpy khói thải ứng với nhiệt độ 160oC ở bảng 4.2 Ikkl th .Vkk0 .(Ct)kkl 1, 48.5,97.1,3.35 402, 4kJ / kg với nhiệt độ không khí lạnh 35oC và nhiệt dung riêng Ckkl = 1,3 kJ/kg. - Ta có: q2 - Q2 .100 6,6% Qdv Hiệu suất lò hơi: 1 (q 2 q 3 q 4 q 5 q 6 ) 86,5% Hiệu suất lò hơi gần đúng so với hiệu suất đã được chọn tại mục 3.8 trang 46. - Lượng tiêu hao nhiên liệu D0 .(i 0 i nc ) D x .(i 'bh 0 i nc ) B .Qdv 31,35.103.(3296 544,7) 0,1 0,865.23027 4337,3kg / h 57 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ - Lượng tiêu hao nhiên liệu tính toán: Bt (1 q4 5 ).B (1 ).4337,3 4120,5kg / h 8,18kg / s 100 100 Bảng 4.3 Các tổn thất nhiệt và hiệu suất lò hơi Qth Các tổn thất (%) (kJ/kg) q2 q3 q4 q5 23027 6,2 0,5 5 1,2 Hiệu Bt q6 suất (%) (kg/h) 0,17 86,5 4120,5 4.2.2 Tính toán công suất quạt và kích thước ống khói Hệ thống thông gió có nhiệm vụ vừa cung cấp đầy đủ không khí để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu, đồng thời thải khói ra khỏi lò để lò làm việc liên tục và ổn định. Để thực hiện nhiệm vụ đó ta dùng ba loại thiết bị: ống khói, quạt cấp gió và quạt hút khói. a) Quạt gió - Lưu lượng quạt gió: 273 t kkl 273 273 35 1,1.4120,5.(1,3 0,05).5,97. 273 3 41257,9 m / h Vg 1,1.Bt .( skk ).Vkk0 . Trong đó: Bt = 4120,5 kg/h , lượng nhiên liệu tiêu hao tính toán. α = 1,3, hệ số không khí thừa. Vkk0 5,97 mtc3 / kg , lượng không khí lý thuyết. tkkl = 35 oC, nhiệt độ không khí lạnh. - Trở lực trên đường ống gió Tổng trở lực của đường gió là tổng trở lực từ quạt gió tới buồng lửa. H Tong H skk H qg bl 1000 10000 11000 Pa Trong đó: 58 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ Chọn H skk = 1000 Pa, tổn thất qua bộ sấy không khí và ống dẫn. Chọn H qp vp = h qg 10000 Pa , tổng trở lực qua hệ thống phân phối gió và lớp sôi. Tính toán tải cực đại có tính đến hệ số an toàn βg = 1,1. - Công suất quạt gió: Ng 1,1. Vg .Hg 3600.g 41257,9.11000 161247 W 161, 2 kW 3600.0,86 b) Quạt khói Quạt khói được lắp sau thiết bị khử lý bụi, sau khi khói ra khỏi thiết bị xử lý bụi nhiệt độ khói giảm còn 125oC. - Lưu lượng quạt khói: 273 t th 273 273 125 1,1.41220,5.(8,33 0,05.5,97). 273 3 57063,85m / h Vk 1,1.Bt .(Vth dk .Vkk0 ). Trong đó: Bt = 41220,5 kg/h, lượng nhiên liệu tiêu hao tính toán. ∆αdk = 0,05, hệ số không khí lạnh lọt trong trong đường ống khói. Vkk0 5,97 mtc3 / kg , lượng không khí lý thuyết. Vth = 8,33 m 3 / kg , lượng khói thải ra khỏi lò. tth = 125 oC., nhiệt độ khói thải. - Trở lực trên đường khói: Tổng trở lực của đường khói là tổng trở lực từ không gian của buồng lửa lò hơi đến ống khói. Trở lực bao gồm trở lực khói qua cyclone thu hồi bụi, bộ quá nhiệt, dàn ống sinh hơi đối lưu, bộ hâm nước, bộ sấy không khí, hệ thống làm sạch khói và các kênh dẫn khói. Giá trị chính xác của các trở lực chỉ có thể có được khi tính toán thiết kế lò hơi. 59 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ Trong luận văn này, để xác định sơ bộ công suất quạt khói, ta chọn tổng trở lực đường khói là ( từ tham khảo các tài liệu về lò hơi tầng sôi): HTong 8000Pa - Hệ số an toàn 1,1. Ta có: H k 1,1.8000 8800 Pa - Tính toán tải cực đại có tính đến hệ số an toàn βg = 1,1. - Công suất quạt khói: N k 1,1. Vk .H k 57063,85.8800 1,1. 174816,7 W 178, 4kW 3600.k 3600.0,86 a. Xác định kích thước ống khói Ống khói là một thiết bị quan trọng trong hệ thống lò hơi, giúp giảm phát thải ra môi trường. Chiều cao ống khói phải được tính toán theo điều kiện tiêu chuẩn đảm bảo vệ sinh môi trường. Thông thường chọn theo kinh nghiệm. Với lò hơi công nghiệp, chiều cao ống khói không dưới 14-16m, với lò hơi lắp đặt trong khu công nghiệp, ta chọn chiều cao ống khói là H = 30m. Chọn vận tốc trung bình của khói ωtb = 25 m/s. - Đường kính ống khói: d k 2. 273 t 273 120 57063,85. 273 2. 273 1,08m .tb 3600..25 Vk . Vậy, dự kiến ống khói lò hơi có chiều cao H = 30 m, với đường kính trung bình dk = 1,08 m. 4.3 Kích thước thiết bị gia nhiệt nước bổ sung bằng nước xả lò Thiết bị gia nhiệt nước bổ sung được chọn là thiết bị trao đổi nhiệt dạng chùm ống được ứng dụng nhiều trong công nghiệp sử dụng cho các lưu thể có tính chất đóng cặn cao, có tính xâm thực, ăn mòn, tính độc hại và hỗn hợp nhiều thành phần. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng chùm ống có nguyên lý hoạt động như hình 4.3, dựa trên nguyên lý trao đổi nhiệt gián tiếp giữ hai lưu thể chuyển động bên trong và bên 60 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ ngoài ống trao đổi nhiệt ( nước bổ sung chảy trong ống, trong khi đó nước xả đáy chảy ngoài ống có các vách ngăn) Hình 4.3 Nguyên lý hoạt động bình gia nhiệt nước bổ sung Tính toán sơ bộ diện tích thiết bị trao đổi niệt bằng phường pháp NTU. - Nhiệt lượng trao đổi Q D bs .C p .(t 'bs t bs ) 0,5.4,17.(41,77 30) 24,64 kW với nhiệt dung riêng của nước ở nhiệt độ 35oC, Cp = 4,17kJ/kg.K - Với lưu động ngược chiều, độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit, hình 4.4: t m (t Dx t 'bs ) (t 'x t bs ) (133,6 41,77) (45 30) 17,7 C 133,6 41,77 t Dx t 'bs ln ln ' 45 30 t x t bs Hình 4.4 Trao đổi nhiệt bình gia nhiệt nước bổ sung 61 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ - Diện tích bình gia nhiệt nước bổ sung: F Q 24,64.1000 1,072 m 2 k.t m 1000.17,7 Chọn hệ số truyền nhiệt cho thiết bị trao đổi nhiệt kiểu chùm ống k = 1000 W/m2.oC - Chọn thông số kết cấu các thành phần: + Ống nước có đường kính ngoài dng = 16 mm và đường kính trong dtr = 14 mm. + Thiết bị gia nhiệt có 2 pass ống. + Số ống trong một pass nước là 10. - Chiều dài ống: l . F d tr d ng 2.1000 .n t 1,072 1,64 m 16 14 . .20 2.1000 Chọn chiều dài thiết bị trao đổi nhiệt 1,8 m Với hệ số l/D = 4 8 (D là đường kính của thiết bị trao đổi nhiệt), chọn đường kính thiết bị trao đổi nhiệt D = 0,35 m. Vậy thiết bị trao đổi nhiệt có kích thước sơ bộ chiều dài l = 1,8 m, đường kính D = 0,35 m với 2 pass ống, mỗi pass có 10 ống. 4.4 Tính chọn kích thước bình phân ly Bình phân ly là thiết bị tách hơi và lỏng, được sử dụng để tận dụng nhiệt của nước xả đáy lò hơi và nước ngưng làm tăng hiệu suất hệ thống. Để xác định kích thước bình phân ly ta dựa vào catalogue của hãng sản xuất hoặc có thể tính toán, phác thảo sơ bộ kích thước bình phân ly. 4.4.1 Bình phân ly PL1 Kích thước bình phân ly PL1 được chọn theo catalogue của hãng Spirax Sarco, sử dụng biểu đồ hình 4.5. Dựa trên áp suất nước ngưng sau khi cung cấp nhiệt lượng cho quá trình sấy (P1), lưu lượng nước ngưng (D1) và áp suất hơi bình phân ly (P2). Quá trình xác định kích thước bình phân ly PL1 như sau: 62 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ - Xác định điểm áp suất P1 = 14,5 bar_g di chuyển theo chiều ngang tới đường áp suất P2 = 2 bar_g - điểm A - Di chuyển xuống theo chiều thẳng đứng tới đường lưu lượng D1' - điểm B - Theo đường cong lưu lượng cắt đường biên,gióng ngang sang đường áp suất P2 điểm C - Từ đó di chuyển lên để chọn kích thước bình phân ly – trong trường hợp này ta chọn được bình phân ly FV15. Hình 4.5 Biểu đồ chọn bình phân ly (Spirax Sarco) 63 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ - Bình phân ly PL1- kiểu FV15, có kích thước như hình 5.2 Hình 4.6 Thông số kích thước bình phân ly PL1 64 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ Tính toán vận tốc hơi tối đa cho phép của bình phân ly PL1 tại tiết diện mặt cắt ngang lớn nhất theo thông số trên, đường kính Dia PL1 406mm 0, 406m - BTheo tài liệu [5], đường kính bình phân ly PL1 là: A Dia PL1 4 4 .A pl1 .A pl1 0, 406m Tiết diện mặt cắt ngang bình phân ly PL1: A PL1 - .0, 4062 0,13m 2 4 Ta có: A PL1 D PL1 0,3646 0,13 v perm1. v v perm1.1,651 Với v 1,651kg / m3 và Dpl1 0,3646kg / s là khối lượng riêng và lưu lượng hơi tại bình phân ly PL1. - Ta tìm được vận tốc hơi tối đa cho phép là vperm1 1,9m / s - Tỷ lệ chiều cao/đường kính: Hig PL1 E 1275 3,14 Dia PL1 A 406 4.4.2 Bình phân ly PL2 Sơ đồ hình 5.2 chỉ sử dụng cho các bình phân ly có áp suất nước vào nhỏ hơn 20 barg, trong khi nước vào bình phân ly PL2 có áp suất 40 bar_a (39 bar_g). Do vậy, kích thước bình phân ly PL2 được tính toán sơ bộ theo tài tiệu [19], phụ thuộc vào vận tốc hơi tối đa cho phép tại tiết diện mặt cắt ngang lớn nhất. - Vận tốc hơi tối đa cho phép: v perm2 K v . l v 931,8 1,651 0,08. 1,9 m / s , v 1,651 so với vận tốc tối đa cho phép của bình phân ly PL1 hầu như không có sai số vì hai bình phân ly có cùng thông số áp suất. Trong đó: Kver = 0,08 m/s, hằng số thực nghiệm phụ thuộc vào bình phân ly, ở đây ta chọn bình phân ly dạng đứng có lưới lọc [20]. 65 CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ ρl = 931,8 kg/m3, khối lượng riêng lỏng ngưng tụ. ρv = 1,651 kg/m3, khối lượng riêng hơi. - Tiết diện mặt cắt ngang bình phân ly: A pl Dpl2 v perm .v 0,01237 0,0068 m2 2,311.1,129 với DPL2 0,02 kg / s là lưu lượng hơi ra khỏi bình phân ly PL2. - Đường kính bình phân ly: Dia PL2 4 4 .A pl2 .0,0068 0,093m 93mm tính đến hệ số an toàn chọn đường kính bình phân ly Dia PL2 150mm . - Tỷ lệ Chiều cao/Đường kính bình phân ly PL2 được tham khảo theo bình phân ly PL1 Hig PL2 3,14 Hig PL2 3,14.0,15 471mm Dia PL2 ,tính đến hệ số an toàn, chọn chiều cao bình phân ly PL2 Hig PL2 500mm . Vậy, bình phân ly PL2 có kích thước tính toán sơ bộ với đường kính Dia PL2 150mm và chiều cao Hig PL2 500mm . 66 CHƯƠNG 5 TỔNG KẾT CHƯƠNG 5 TỔNG KẾT 5.1 Kết quả lựa chọn và tính toán phương án đồng phát Luận văn đã đề xuất phương án đồng phát nhiệt điện cho công ty Dệt may A. Hiện trạng công ty A đang sử dụng điện lưới và cấp nhiệt cho công nghệ bằng hai thiết bị: - 01 lò hơi tầng sôi , chủ yếu cấp nhiệt cho xưởng nhuộm + Công suất: 20 tấn hơi/h + Áp suất hơi: 7 bar - 01 lò dầu tải nhiệt, chủ yếu cấp nhiệt cho các máy sấy vải + Công suất: 5000000 kcal/h Phương án đồng phát được lựa chọn sử dụng tuabin đối áp có cửa trích điều chỉnh để cấp hai dòng hơi có áp suất khác nhau cho công nghệ. Máy phát điện làm việc nối lưới nên hệ thống vận hành nhằm đáp ứng nhu cầu phụ tải nhiệt. Nhiên liệu sử dụng là than cám Indo. Luận văn đã tiến hành tính toán sơ đồ nhiệt, tính toán thiết kế và lựa chọn các phần tử cơ bản của hệ thống, bao gồm: - 01 lò hơi tầng sôi tuần hoàn (Circulating Fluidized Bed – CFB) + Công suất : 35 tấn hơi/h + Áp suất hơi quá nhiệt: 40 bar + Nhiệt độ hơi quá nhiệt: 435 oC - 01 tuabin đối áp + Tổng công suất nhiệt: 20000 kW. Trong đó dòng hơi trích có áp suất P1 = 15,5 bar , dòng hơi thoát có áp suất 3 bar. + Công suất điện: 3673 kW - Các thiết bị phụ gồm: 01 bình gia nhiệt nước bổ sung và 02 bình phân ly (nước xả lò và nước thu hồi sau khi qua công đoạn sấy). - Kết quả tính toán sơ đồ nhiệt được thể hiện ở hình 3.13 - Xác định được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của hệ thống như sau: 67 CHƯƠNG 5 TỔNG KẾT Bảng 5.1 Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật 1 Suất tiêu hao hơi d0 kg/kWh 8,536 2 Tiêu hao nhiệt cho tuabin QTU kW 23772 3 Suất tiêu hao nhiệt cho tuabin qTU kJ/kWh 23298 4 Tiêu hao nhiên liệu hệ thống B kg/h 4305 5 Suất tiêu hao nhiên liệu hệ thống b kg/kWh 1,172 6 Hiệu suất nhiệt hệ thống th % 72,6 7 Hiệu suất phát điện hệ thống e % 13,3 8 Hiệu suất phát toàn hệ thống % 85,9 5.2 So sánh hiệu quả năng lượng Hệ thống đồng phát, chi phí tiêu hao nhiên liệu bao gồm cả sản xuất năng lượng nhiệt và điện ( nhu cầu điện đáp ứng được khoảng 70 % nhu cầu điện năng của nhà máy trong tháng nhà máy đạt tải tải cao nhất, 30% còn lại sẽ mua điện từ điện lưới quốc gia). - Hệ thống Đồng phát có lượng tiêu hao nhiên liệu: B = 4305 kg/h - Giá than cám Indo tham khảo thị trường có giá dao động từ 2.000.000 VND/tấn đến 2.600.000 VND/tấn ta lấy giá trung bình là 2.300.000 VND/tấn. Hệ thống cũ, gồm lò hơi tầng sôi sử dụng than cám Indo 30 tấn/ngày và lò dầu tải nhiệt sử dụng mùn cưa 26 tấn/ngày. Với giá mùn cưa là 2100 VND/kg - Giá điện (tham khảo quyết định số 648/QĐ-BCT ban hành ngày 20/03/2019 của Bộ Công Thương) đối với các ngành sản xuất Cấp điện áp từ 22 kV đến dưới 110 kV là 1555 VND/kWh. Bảng 5.2 Bảng so sánh chi phí năng lượng Hệ thống Hệ thống Đồng phát Hệ thống cũ 86,73 44,769 Chi phí Nhiệt năng ( tỷ VND/năm) 68 CHƯƠNG 5 TỔNG KẾT Điện năng (tỷ VND/năm) 21,48 71,51 108,22 116,28 Tổng (tỷ VND/năm) Như vậy, khi công ty dệt may A đầu tư hệ thống Đồng phát thì so với hệ thống cũ số chi phí tiết kiệm được trong một năm là (116,28 – 108,22) 8,06 tỷ VND với nguồn điện cung cấp cho công ty cũng được ổn định. Việc xây dựng hệ thống Đồng phát cho công ty Dệt may A cũng góp phần thúc đẩy định hướng này cho nhiều ngành sản xuất có quy mô vừa và nhỏ khác, góp phần giảm tải cho lưới điện quốc gia, tiết kiệm nhiên liệu và hạn chế phát thải ra môi trường. Nội dung luận văn mới chỉ tập trung tính toán về các chỉ tiêu và hiệu quả năng lượng. Còn hiệu quả kinh tế kỹ thuật của phương án sẽ phải được xác định thông qua nghiên cứu khả thi, trong đó cần biết được chi phí của từng hạng mục thiết bị của nhà máy cũng như các hạng mục xây dựng nền móng nhà xưởng cho hệ thống Đồng phát. 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS. Trần Thanh Kỳ (1998). Nhà máy nhiệt điện. Trung tâm nghiên cứu thiết bị nhiệt và năng lượng mới, Trường đại học Bách khoa Tp.Hồ Chí Minh. [2] TS. Nguyễn Văn Tuyên (2014). Giáo trình Tuabin hơi nước và Tuabin khí. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh [3] PTS. Trần Thanh Kỳ (1990). Thiết kế lò hơi. Trung tâm nghiên cứu thiết bị nhiệt và năng lượng mới, Trường đại học Bách khoa Tp.Hồ Chí Minh. [4] PGS.TS. Đào Ngọc Chân, PGS.TS Hoàng Ngọc Đồng (2008). Lò hơi & thiết bị đốt. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội. [5] TS. Hoàng Đình Tín (2013). Cơ sở truyền nhiệt và thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh. [6] David Flin (2010). Cogeneration. The institution of Engineering and Technology, London, United Kingom. [7] Báo cáo kiểm toán năng lượng. Trung tâm tiết kiệm năng lượng (EEC). [8] Koss Neefjes, UNDP Việt Nam (2018). Cơ hội và động cơ giảm nhẹ phát thải khí nhà kính lâu dài tại việt nam. [9] Bộ Kế hoạch và Đầu tư (MPI). Chương trình phát triển Liên Hợp quốc (UNDP). Dự án “tăng cường năng lực lồng ghép phát tiển bền vững và biến đổi khí hậu trong công tác lập kế hoạch”. Nghiên cứu định lượng giảm phát thải khí nhà kính trong lĩnh vực năng lượng giai đoạn 2011-2030. Báo cáo “Nghiên cứu, xây dựng các mục tiêu định lượng giảm phát thải khí nhà kính trong ngành năng lượng Việt Nam, giai đoạn 20132030. Hỗ trợ xây dựng, thực hiện Chiến lược Quốc gia về TĂNG TRƯỞNG XANH”. Số đăng ký ĐKXB: 1287-2013/CXB/06-632/BĐ. [10] Nguyễn Ngọc Hoàng (2015). Báo cáo ngành điện 7/2015. FPT Securities. [11] Hội thảo được Bộ Công Thương phối hợp với Báo Lao động (2018).Cần có cái nhìn đúng về Nhà máy nhiệt điện than. [12] UNEP (2006). Energy Efficiency Guide for Industry in Asia. 70 [13] Phê duyệt điều chỉnh quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030. Số: 428/QĐ-TTg. [14] Hoàng Đình Tín, Lê Chí Hiệp (2011). Nhiệt động lực học kỹ thuật. Nhà xuất bản đại học Quốc gia tp. Hồ Chí Minh [15] Ngô Thị Thanh Tâm (2017). Báo cáo ngành đường. FPT Securities . [16].http://ttcsugar.com.vn/tin-tuc-ct/nhiet-dien-tu-ba-mia-tiet-kiemnhien-lieu-thanthien-moi-truong/684.aspx [17] PGS.TS Phùng Chí Sỹ. Dự án xây dựng nhà máy nhiệt điện đốt than công suất 150 MW tại KCN Nhơn Trạch III, huyện Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai. [18].http://www.scp.gov.vn/tin-tuc/t358/nha-may-giay-bai-bang-cong-nghe-cho-sanxuat-xanh.html [19] Carl R. Branan. Rules of Thumb for Chemical Engineers. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data [20].https://www.red-bag.com/engineering-guides/249-bn-eg-ue109-guide-for-vesselsizing.html [21] TS. Trần Văn Hưng. Slide bài giảng Trung tâm nhiệt điện 71