Tuabin khí lớp HL thúc đẩy sự tái sinh của nhà máy nhiệt điện than

Nhà máy Nhiệt điện RD Morrow Sr. (Ảnh st)

Dự án Morrow Repower đã đoạt Giải thưởng Thiết kế mới của Tạp chí POWER năm 2024, là ví dụ điển hình về chuyển đổi từ than sang khí mang tính chiến lược tại một địa điểm công nghiệp cũ kết hợp khéo léo công nghệ tiên tiến với cam kết quản lý tài chính và cộng đồng.

Trước đây một thập kỷ, Hợp tác xã Năng lượng (Cooperative Energy), hợp tác xã điện tại bang Mississippi (Mỹ) đã bắt đầu suy ngẫm về tương lai của các nhà máy điện của mình. Thành lập vào năm 1941 với tên gọi ngắn gọn là South Mississippi Electric sau khi Luật Điện khí hóa Nông thôn được thông qua, Cooperative Energy đã phát triển thành hợp tác xã phát điện và truyền tải điện duy nhất trong bang, với sứ mệnh toàn diện là đáp ứng nhu cầu điện của 11 hợp tác xã phân phối nhỏ trải dài từ Châu thổ sông Mississippi đến Bờ biển Vịnh Mexico. ​​Trong hơn 80 năm kể từ đó, hợp tác xã có trụ sở tại thành phố Hattiesburg này đã hoạt động theo mô hình phi lợi nhuận thuộc sở hữu của một thành viên, cung cấp cho hơn 448.000 thành viên của mình tại 55 trong số 82 hạt của bang Mississippi với mức giá bán buôn đủ để trang trải chi phí cấp điện và các trường hợp khẩn cấp, số tiền còn lại (tín dụng vốn) được trả lại cho các thành viên.

Năm 2012, hợp tác xã này đã tham gia vào Nhà điều hành Hệ thống Độc lập khu vực Trung tâm đại lục (MISO) với tư cách là một phần nhà chức trách cân bằng lớn hơn của nhà điều hành truyền tải khu vực, cho phép hợp tác xã này khai thác lợi thế của việc mua năng lượng giá rẻ trong khi tìm ra những hướng đi mới cho phát điện của riêng mình. Cũng giống như tất cả các nỗ lực của Cooperative Energy, biện pháp này đã ăn sâu vào mệnh lệnh lớn hơn của hợp tác xã là phát điện với giá cả phải chăng và đáng tin cậy một cách nhất quán. Nhưng hợp tác xã cũng đã tìm cách cung cấp tính minh bạch chung của thị trường khi các quy định mới nghiêm ngặt về môi trường và những tiến bộ công nghệ đã biến đổi thị trường một cách đáng kể.

Một mối quan ngại đặc biệt nằm ở tương lai của Nhà máy điện RD Morrow Sr., cơ sở điện than hai tổ máy công suất 400MW mà Cooperative Energy đã khánh thành vào năm 1978. Mặc dù hợp tác xã này đã bắt đầu tìm hiểu về việc thay thế trang bị động lực cho nhà máy mang tính bước ngoặt này bằng khí tự nhiên từ năm 2013, nhưng do những điều không chắc chắn về tương lai của điện than, nên đến năm 2016, hành động quyết đoán đã trở nên cấp thiết.

Cùng với mong chờ trong việc tiếp tục phù hợp với các quy định về môi trường ngày càng nghiêm ngặt hơn, nhà máy này đã phải vật lộn với chi phí cao để vận chuyển than qua hơn 700km đến hiện trường. Để duy trì nhà máy hoạt động khả thi về lâu dài, Cooperative Energy đã nhận thức sâu sắc rằng họ sẽ cần phải "chi một khoản tiền lớn".

Năm 2016, nhóm lập kế hoạch phát điện của Cooperative Energy đã bắt đầu một nghiên cứu kéo dài một năm để tìm hiểu các lựa chọn cấp điện của mình.

Sau khi một nghiên cứu của Burns & McDonnell (Mỹ) cho thấy việc thay thế trang bị động lực có thể tiết kiệm từ 25% đến 35% chi phí, Cooperative Energy đã hành động nhanh chóng. Tháng 6 năm 2018, hội đồng quản trị của hợp tác xã này đã đưa ra quyết định cho ngừng hoạt động nhà máy hai tổ máy nguyên thủy và thay thế nó bằng một tổ máy khí tự nhiên lớp tiên tiến theo một kế hoạch chuyển đổi đầy tham vọng kéo dài 05 năm.

Tháng 3 năm 2023, Dự án Morrow Repower công suất 572MW bắt đầu hoạt động thương mại. Cấp điện bằng một tuabin khí Siemens Energy SGT6-9000HL 60Hz kết hợp với một tuabin hơi hiện có, nhà máy phụ tải nền có một không hai này hiện là một nhà máy điện đáng tin cậy do MISO kiểm soát và điều độ.

Lựa chọn nghiêm ngặt về công nghệ

Là một bước đầu tiên quan trọng, hợp tác xã này đã bắt đầu khám phá với “một tư duy cởi mở” các tùy chọn tuabin khí hạng nặng lớn của mình, cân nhắc cẩn thận các lựa chọn từ ba nhà chế tạo tuabin khí lớn sẵn có vào thời đó. “Chúng tôi sẽ lấy các bảo đảm về tính năng từ ​​mỗi trong ba nhà cung cấp tuabin khí khác nhau và chúng tôi sẽ vận hành chúng so với các mô hình chi phí sản xuất hiện tại và xác định tiềm năng kinh tế của chúng dựa trên giá khí và chi phí điện trong tương lai và những thứ tương tự.” Tuabin SGT6-9000HL của Siemens Energy thường có xếp hạng cao về các thuộc tính linh hoạt, bao gồm thời gian khởi động, tốc độ tăng và giảm công suất của tổ máy, cũng như về hiệu suất.

Tuy nhiên, quyết định đặt hàng công nghệ này không phải là không có rủi ro đáng kể. Vào năm 2018, khi Cooperative Energy đang cân nhắc các lựa chọn của mình, Siemens Energy cũng vừa mới công bố lớp HL - mẫu tuabin khí lớn nhất, mạnh nhất và hiệu suất cao nhất của công ty. Trong khi Siemens Energy ra mắt công nghệ này theo cách tiếp cận dè dặt - bao gồm giai đoạn phát triển tiến hóa kéo dài gần một thập kỷ và thử nghiệm quy mô đầy đủ tại một giàn khoan gần thành phố Berlin - Morrow cuối cùng đã được lên kế hoạch trở thành "seri số hai" cho 9000HL trên thị trường 60Hz. Nhưng đối với Siemens Energy, di sản của dự án thay thế trang bị động lực Morrow đáng chú ý hơn vì đây cũng là dự án thay thế trang bị động lực phụ tải nền đầu tiên trên thế giới có SGT6-9000HL. 

Hans Thermann, Giám đốc Quản lý danh mục sản phẩm 9000HL của Siemens Energy, trong một cuộc phỏng vấn với Tạp chí POWER đã cho biết lớp HL được thiết kế "với mục tiêu hỗ trợ chuyển dịch năng lượng từ than sang khí. Trong khi dựa trên di sản kinh nghiệm và kiến ​​trúc lớp H, F và E của Siemens Energy, dòng tuabin khí làm mát bằng không khí tiên tiến này kết hợp những tiến bộ công nghệ như hệ thống đốt tiên tiến để cho phép nhiệt độ đốt cao hơn (trên 1.600^oC), các tính năng làm mát bên trong hiệu quả cho các cánh và van tuabin, và một kiến ​​trúc rôto đã được chứng minh.

Thermann cho biết những thuộc tính này là không thể thiếu đối với hiệu suất cao và tốc độ tăng công suất cao mà các dự án thay thế trang bị động lực than sang khí phải đạt được để phát triển mạnh mẽ, đồng thời tăng cường độ tin cậy và khả năng chi trả trong các hệ thống điện hiện đại. Tại Morrow, nỗ lực này đã dẫn đến "giảm khoảng 50%" lượng phát thải cacbon dioxide.

Thermann lưu ý rằng tính linh hoạt của động cơ này đã trình diễn tại Nhà máy điện tuabin đốt Lincoln của Duke Energy ở bang North Carolina. Dự án đó có SGT6-9000HL công suất 411MW, lắp đặt vào tháng 4 năm 2020 tại nhà máy điện khí chu trình đơn mới tinh, đại diện cho máy phát 60Hz đầu tiên của công ty. Theo thỏa thuận bốn năm sáng tạo với Duke Energy, Siemens Energy đã tiếp tục tiến hành thử nghiệm xác nhận tại Lincoln trong khi Duke Energy sử dụng cơ sở này để đáp ứng nhu cầu phủ đỉnh. 

Thermann cho biết “nó được trang bị rất nhiều cảm biến bổ sung để xác thực và thử nghiệm mọi khía cạnh của động cơ này”, điều này đã giúp thúc đẩy cải tiến hơn nữa các công nghệ chính và cung cấp các giải pháp đã qua thử nghiệm cho các dự án như Morrow. Tháng 8 năm 2022, dự án đáng chú ý này của Duke Energy đã nhận được hai Kỷ lục Thế giới Guinness về công suất đầu ra lớn nhất của một tổ máy chu trình đơn và tốc độ tăng công suất cao nhất - hơn 100MW/phút. 

Niềm tin của Cooperative Energy vào công nghệ này đã được củng cố trong giai đoạn đàm phán khi Siemens Energy đưa ra một thỏa thuận dịch vụ dài hạn toàn diện (LTSA) để duy trì hiệu suất đỉnh của tuabin khí và máy phát điện trong suốt vòng đời của dự án. Hợp đồng này bao gồm các linh kiện, công tác sửa chữa, dịch vụ tại hiện trường, quản lý chương trình và theo dõi và chẩn đoán từ xa, là một phần của danh mục dịch vụ kỹ thuật số Omniverse của Siemens Energy.

Trong khi đó, như một phần của LTSA, Siemens Energy cũng đã thuê một cố vấn kỹ thuật hiện trường chuyên trách, người đã làm việc tại công trường trong một năm trong giai đoạn xây dựng để giải quyết các vấn đề kỹ thuật tiềm ẩn. Theo Neal Hackett, Giám đốc danh mục chương trình dịch vụ của Siemens Energy, thỏa thuận này rất quan trọng trong việc thiết lập quan hệ đối tác cộng tác và minh bạch ngay từ đầu.

Thành công nhờ tinh gọn, có nhân viên dẫn đường

Trong khi sự tiên phong về công nghệ của Dự án Morrow Repower rất đáng kể, thì hiệu suất mà Cooperative Energy - tổ chức phi lợi nhuận mà tiềm lực tài chính còn hạn chế, do khoảng 450 nhân viên điều hành - hoàn thành dự án khổng lồ này còn ấn tượng hơn. Các mục tiêu của dự án đã đạt được trước thời hạn 05 năm mà hội đồng quản trị của Cooperative Energy đã đề ra vào năm 2018. Đáng chú ý hơn, dự án đã đi vào hoạt động thương mại dưới ngân sách đáng kể - với khoản tiết kiệm ước tính hơn 60 triệu USD.

Phía sau sự thành công đáng kinh ngạc của dự án này là việc Cooperative Energy đã bắt đầu dự án này với một tư duy thực tế nhưng tinh gọn, cân nhắc cam kết của mình đối với các nhân viên và cộng đồng xung quanh. Đầu tiên, họ đã ký hợp đồng với Công ty dịch vụ kỹ thuật Burns & McDonnell làm kỹ sư của chủ sở hữu cho dự án. Nhưng thay vì theo đuổi một hợp đồng kỹ thuật, mua sắm và xây dựng (EPC) thông thường, hợp tác xã này đã tự mình quản lý dự án cùng với Burns & McDonnell.

Tháng 3 năm 2023, Dự án Morrow Repower công suất 572MW bắt đầu hoạt động thương mại (Ảnh st)

Cooperative Energy đã cộng tác với Burns & McDonnell để thay thế trang bị động lực cho Nhà máy phát điện RD Morrow, Sr., tăng công suất từ ​​204MW lên 572MW bằng công nghệ tuabin khí Siemens 9000HL tiên tiến. Bất chấp những thách thức của đại dịch, dự án đã hoàn thành trong ngân sách mà không có tai nạn nào liên quan đến an toàn, khai thác lợi thế lao động địa phương và chuyên môn của đội ngũ nhân viên Cooperative Energy.

Đáng chú ý hơn là cách tiếp cận này dựa rất nhiều vào đội ngũ nhân viên của Morrow, mà Cooperative Energy đã cắt giảm từ 110 xuống còn 61 người thông qua chiến lược "giảm dần tự nhiên" ban đầu nhằm tránh việc sa thải khi tương lai của nhà máy không chắc chắn. Đội ngũ nhân viên và nhà thầu của Burns & McDonnell đã hỗ trợ các nhân viên này trong việc đảm nhiệm vai trò sở hữu phi thường của dự án, thực hiện nhiều vai trò trong tất cả các giai đoạn, bao gồm phá dỡ, đưa vào vận hành và khởi động tổ máy mới. Các công nhân vận hành đã thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau kể cả lắp đặt cách điện, và những người chưa có việc làm, các thợ máy và kỹ thuật viên thực hiện các hoạt động phá dỡ và nhiều công việc khác.

Quản lý dự án cũng tinh gọn, do Cannon dẫn đầu cùng với một giám đốc xây dựng duy nhất, một bộ phận chuỗi cung ứng nhỏ xử lý việc mua sắm thiết bị và một bộ phận pháp lý xử lý các hợp đồng. Cooperative Energy cũng đã xoay xở để ký hợp đồng với những nhân tài được đánh giá cao.

Trong toàn bộ thời gian của dự án, các nhân viên của Cooperative Energy cũng đã cùng nhau đầu tư gần 300.000 giờ làm việc, trong thời gian cao điểm xây dựng, có tới 400 công nhân có mặt tại Dự án Morrow Repower. Đáng chú ý là các đội đã hoàn thành các hoạt động thương mại với một hồ sơ an toàn gần như hoàn hảo thông qua các giao thức an toàn nghiêm ngặt và đào tạo chuyên sâu.

Dự án cũng khai thác lợi thế "một chút may mắn" với thời điểm thuận lợi của nó. Trong khi đại dịch COVID gây ra những hạn chế nghiêm trọng về đi lại, sự chậm trễ trong vận chuyển và các vấn đề về chuỗi cung ứng - bao gồm cả Siemens Energy - thì Cooperative Energy đã tìm thấy một tia hy vọng phi thường, vì nó đã hưởng lợi từ việc giảm cạnh tranh trên thị trường xây dựng, lao động và vật liệu khi các dự án trong khu vực bị trì hoãn hoặc dừng lại.

Lợi nhuận của nhà máy sẽ tăng gấp bội trong những năm tới. "Dự án này thực sự đã biến đổi hợp tác xã của chúng tôi và đặt chúng tôi đúng vào vị thế trong tương lai," "Chúng tôi vô cùng tự hào về những gì nhóm của chúng tôi đã đạt được."

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo