Đăng ký thành viên

Khởi động nhanh ảnh hưởng đến HRSG như thế nào và giải pháp khắc phục

Nhu cầu ngày càng tăng đối với các nhà máy chu trình kết hợp có khả năng khởi động nhanh và cấp điện kịp thời cho lưới điện đang đặt ra yêu cầu cao hơn cho các lò sinh hơi thu hồi nhiệt (HRSG). Tin tốt là các kỹ sư có thể thiết kế HRSG mới và cải tạo HRSG hiện có để cho phép tuabin khí khởi động không bị giới hạn và nhanh chóng đầy tải.

Hình 1. Lắp đặt bao hơi HP Vogt Power International mới tại một tổ máy hiện có (Ảnh st)

Đường cong vận hành của các nhà máy chu trình kết hợp đã thay đổi đáng kể trong vài thập kỷ qua. Vào cuối những năm 1990 và đầu những năm 2000, các kỹ sư thường thiết kế nhà máy chu trình kết hợp để vận hành phụ tải nền. Các nhà máy này đang thay thế các nhà máy nhiệt điện than đang lão hóa và cung cấp điện phụ tải nền. Tuy nhiên, với sự gia tăng của các nguồn năng lượng tái tạo và nhu cầu điện, trong tương lai, ngành điện sẽ định hình phát triển theo hướng “tất cả các nguồn cùng tham gia”, bao gồm điện hạt nhân, năng lượng tích trữ, điện gió, điện mặt trời, thủy điện và khí đốt. Theo cách tiếp cận này, phát điện không còn giới hạn ở một hoặc hai nguồn mà là sự kết hợp đa dạng giữa nhiều công nghệ, trong đó tích trữ năng lượng giữ vai trò quan trọng. 

Để cân bằng nguồn điện hoạt động liền mạch với nhau, cần có một nguồn phát điện phản ứng nhanh, có thể điều độ. Hiện nay, người ta tin tưởng các nhà máy chu trình kết hợp là nguồn điện đáng tin cậy, phản ứng nhanh và do đó yêu cầu phải tuần hoàn nhiều lần. Khả năng khởi động nhanh chóng và đưa điện lên lưới điện đã trở nên rất quan trọng đối với các nhà máy điện chu trình kết hợp. Các nhà máy mới đang được thiết kế với nhu cầu này, và một số nhà máy hiện hữu đang được xem xét cải tạo các lò sinh hơi thu hồi nhiệt để có khả năng khởi động nhanh hơn.

Khởi động thông thường so với khởi động nhanh

Trong một quy trình khởi động thông thường, các kỹ sư khởi động tuabin khí nhưng đôi khi lại giữ ở mức phụ tải thấp hơn để các thành phần có thời gian khởi động và để nhiệt độ trong HRSG tăng theo cách có kiểm soát. Tùy thuộc vào cấu hình của nhà máy, có thể mất hai giờ hoặc lâu hơn để đầy tải. Ngược lại, trong nhà máy chu trình kết hợp đã tối ưu hóa để khởi động nhanh, người ta khởi động tuabin khí như thể nó là một máy chu trình đơn và tăng tốc đến đầy tải mà không có bất kỳ hạn chế nào. Các kỹ sư tách HRSG và tuabin hơi ra khỏi tuabin khí để loại bỏ mọi giới hạn trong quá trình khởi động tuabin khí. Điều này có thể có nghĩa là công suất từ ​​tuabin khí có sẵn nhanh hơn nhiều, qua đó tăng cường tính linh hoạt cho lưới điện. Tuy nhiên, để đạt được khả năng khởi động nhanh này thì các thành phần HRSG cần có khả năng chấp nhận dòng khí thải cao và những thay đổi nhanh chóng về nhiệt độ khí thải và cần có thiết kế phù hợp.

Các cân nhắc về chiều dày bao hơi

Nhiều nhà máy điện đang thay thế bao hơi bằng thiết kế mới phù hợp với yêu cầu khởi động nhanh (Ảnh st)

Bao hơi cao áp (HP) là thành phần dày nhất trong HRSG và trong các sự kiện khởi động nhanh, chênh lệch nhiệt độ giữa vỏ ngoài và phần bên trong của bao hơi là rất lớn. Gradient nhiệt độ này trên toàn bộ chiều dày của bao hơi tạo ra những ứng suất mỏi nhiệt, qua nhiều chu kỳ biểu hiện thành các vết nứt và các sự cố. Đối với ứng dụng khởi động nhanh, cần giảm thiểu chiều dày của bao hơi càng nhiều càng tốt. Để thực hiện điều này, kỹ sư sử dụng vật liệu có cường độ chịu kéo cao, chẳng hạn như SA-299B hoặc SA-302B. Hơn nữa, OD (đường kính ngoài) của chính bao hơi và do đó là chiều dày của bao hơi cũng có thể giảm xuống bằng cách cân nhắc thời gian giữ bao hơi thấp hơn (là thời gian mực nước trong bao hơi giảm từ mực nước bình thường xuống mức ngắt thấp) lên đến 90 giây. Ngày càng nhiều nhà máy điện lên kế hoạch và triển khai thay thế bao hơi bằng các loại bao hơi mới thiết kế riêng cho ứng dụng khởi động nhanh (xem Hình 1). 

Chiều dày của bộ quá nhiệt HP

Các ống góp bộ quá nhiệt HP cũng có xu hướng là các thành phần rất dày, chịu ứng suất mỏi lớn trong quá trình vận hành khởi động nhanh. Công ty Vogt Power International (Mỹ) đặt mục tiêu giữ chiều dày của ống góp dưới 3,2cm cho các ứng dụng khởi động nhanh. Kỹ sư có thể giảm ứng suất bằng cách thu nhỏ đường kính và chiều dày ống góp, áp dụng thiết kế bộ quá nhiệt một hàng song song ở phía hơi thay cho hai hàng. Xem Hình 2. 

Hình 2. Sơ đồ của một bộ quá nhiệt một hàng trong một bố trí song song phía hơi. Thiết kế này cho phép sử dụng OD của ống góp nhỏ hơn và do đó giảm chiều dày. m = ống góp; ch = ống góp thông thường (Ảnh st)

Luyện kim của bộ quá nhiệt cũng có thể cải thiện để giảm chiều dày của ống góp và giảm thiểu ứng suất phát sinh từ hoạt động khởi động nhanh. Việc sử dụng vật liệu Phẩm cấp 92 ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt là sau khi giá trị ứng suất cho phép đối với vật liệu Phẩm cấp 91 giảm gần đây. 

Thiết bị điều chỉnh nhiệt độ hơi nước

Thiết bị điều chỉnh nhiệt độ hơi nước giai đoạn cuối là thiết yếu cho các nhà máy chu trình kết hợp đang cân nhắc khởi động nhanh. Thiết bị này là cần thiết để xử lý hơi nước trước khi ra khỏi tuabin hoặc để phù hợp với nhiệt độ vào một ống góp hơi nước chung.

Riêng thiết bị điều chỉnh nhiệt độ hơi nước liên tầng có thể không kiểm soát được nhiệt độ hơi nước cuối cùng ngay cả khi nó phun xuống gần nhiệt độ bão hòa vì với lưu lượng hơi nước thấp hơn trong quá trình khởi động, hơi nước có thể làm tăng đáng kể nhiệt độ trong bộ quá nhiệt giai đoạn cuối.

Vị trí của thiết bị điều chỉnh nhiệt độ hơi nước liên tầng cũng là một yếu tố quan trọng cần cân nhắc. Nếu vị trí thiết bị điều chỉnh nhiệt độ hơi nước bị lệch về phía sau của các mođun quá nhiệt, nó có thể không kiểm soát hiệu quả nhiệt độ hơi nước cuối cùng và ảnh hưởng xấu đến nhiệt độ hoạt động của các ống quá nhiệt phía trước.

Cần tiến hành nghiên cứu nhiệt trên các thiết bị hiện có để xác định tính phù hợp của thiết bị điều chỉnh nhiệt độ hơi nước liên tầng và kích thước của thiết bị điều chỉnh nhiệt độ hơi nước giai đoạn cuối cho các ứng dụng khởi động nhanh.

Hình 3 cho thấy hư hại có thể xảy ra do đường ống thiết bị điều chỉnh nhiệt độ hơi nước thiết kế không đúng cách.

Hình 3. Các vết nứt trong đường ống và các ống cong ở hạ lưu của thiết bị điều chỉnh nhiệt độ hơi nước có thể chỉ ra một hệ thống có thiết kế không phù hợp (Ảnh st)

Gia nhiệt sơ bộ HRSG

Áp suất trong HRSG trong quá trình khởi động quyết định xem quá trình khởi động được phân loại là nóng, ấm hay lạnh:

HOT là khi áp suất bao hơi HP trên 500psia

ẤM là khi áp suất bao hơi HP trên 200psia

LẠNH là khi bao hơi HP ở điều kiện môi trường xung quanh

Một khởi động lạnh làm tăng tuổi thọ sử dụng khoảng 7 lần so với một khởi động ấm và một khởi động ấm làm tăng tuổi thọ sử dụng gấp 4 lần so với khởi động nóng. Do đó, việc gia nhiệt sơ bộ HRSG hoặc duy trì HRSG ở điều kiện khởi động nóng có thể kéo dài tuổi thọ của HRSG trong các sự kiện khởi động nhanh thường xuyên. Kỹ sư có thể đạt được mục tiêu này bằng cách sử dụng nồi hơi phụ để tạo hơi nước phun, giúp duy trì áp suất trong bao hơi HP. Việc bảo dưỡng đúng quy trình và kiểm soát chặt chẽ độ kín của các van xả cũng giúp hạn chế thất thoát áp suất theo thời gian. Một số chủ sở hữu/nhà điều hành nhà máy cũng đã lắp đặt van điều tiết ống khói trong các thiết bị của họ để giữ nhiệt trong thiết bị. 

Tuân thủ phát thải 

Việc gia nhiệt sơ bộ HRSG cũng có thêm lợi ích là cho phép HRSG đạt sự tuân thủ về phát thải nhanh hơn trong quá trình khởi động nhanh. Vì bộ phận xúc tác trong HRSG thường nằm ở hạ lưu của bộ phận bốc hơi HP, nên việc gia nhiệt sơ bộ bao hơi HP và bộ bốc hơi cho phép chất xúc tác đạt đến nhiệt độ hoạt động sớm hơn và đạt được sự tuân thủ về phát thải sớm hơn trong quá trình khởi động. Một số nhà máy cũng đã lắp đặt bộ gia nhiệt điện khởi động để hóa hơi amoniac. Vì hệ thống tuần hoàn khí nóng, vốn lấy luồng khí thải, có thể không đủ nóng trong quá trình khởi động, nên có thể sử dụng bộ gia nhiệt điện để hóa hơi amoniac và đạt sự tuân thủ về khí thải. 

Miễn hoặc rút ngắn quá trình thổi rửa theo tiêu chuẩn NFPA

Một yếu tố khác cần cân nhắc là thổi rửa HRSG, có thể mất vài phút và do đó làm chậm quá trình khởi động. Một cách để giảm thiểu điều này là thổi rửa HRSG trong quá trình tắt máy và đảm bảo rằng các khí dễ cháy trong đường ống nhiên liệu và hệ thống amoniac không rò rỉ vào HRSG thông qua việc sử dụng khối chặn ba và hệ thống xả khí trong các đường ống dẫn khí cùng với việc theo dõi áp suất và xác thực vị trí van (xem Hình 4). Với hệ thống này, NFPA (Hiệp hội Phòng cháy chữa cháy Quốc gia Hoa Kỳ) cho phép thổi rửa HRSG trong quá trình tắt máy, loại bỏ nhu cầu thổi rửa khí khởi động chuyên dụng và cắt giảm thời gian khởi động. 

Hình 4. NFPA “Hệ thống 1”: khối chặn ba và hệ thống xả khí trong đường ống dẫn khí nhiên liệu chu trình kết hợp, có chức năng theo dõi áp suất và xác nhận vị trí van. PT = bộ truyền áp suất (Ảnh st)

Tăng tốc quá trình hòa lưới điện

Chủ sở hữu/nhà điều hành nhà máy điện cũng đang cân nhắc các biện pháp cải tạo khác cho phép họ nhanh chóng hòa lưới điện. Ví dụ, ngày càng nhiều nhà máy đang cân nhắc lắp đặt một ống khói nối tắt chu trình đơn bên cạnh HRSG hiện có, giúp nhà máy có khả năng vận hành ở cả cấu hình chu trình đơn và chu trình kết hợp.

Nhà máy vận hành theo cấu hình chu trình đơn khi ưu tiên là hòa lưới điện nhanh chóng và theo cấu hình chu trình kết hợp khi ưu tiên là sản lượng điện cực đại và hiệu suất.

Tương tự như vậy, các nhà máy cũng đang lắp đặt các cải tạo tuabin khí cho phép chúng hoạt động ở mức phụ tải rất thấp. Các nhà máy sử dụng ít nhiên liệu hơn đáng kể trong quá trình vận hành như vậy (phụ tải GT 25%) và lợi ích là chúng có thể tăng phụ tải lên 100% nhanh hơn nhiều với ít ứng suất nhiệt hơn trên các thành phần HRSG. 

Khởi động không bị gián đoạn

Tóm lại, trong quá trình xây dựng hoặc cải tạo nhà máy chu trình kết hợp để đạt khả năng khởi động nhanh, kỹ sư phải đặc biệt quan tâm đến thiết kế lò sinh hơi thu hồi nhiệt. Tuy nhiên, có thể thiết kế các HRSG và cải tạo các HRSG hiện có để cho phép khởi động tuabin khí không bị gián đoạn và cung cấp điện nhanh chóng cho lưới điện. 

Biên dịch: Hồ Văn Minh

Theo “Modern power systems”, tháng 8/2025