Đăng ký thành viên

Giải pháp giảm tác động của gió lên các bình ngưng làm mát bằng không khí

06/09/2025 16:58 Số lượt xem: 53

---

Với việc áp dụng ngày càng phổ biến các hệ thống làm mát khô, các bình ngưng làm mát bằng không khí (ACC) đang trở nên thiết yếu đối với hiệu suất các nhà máy điện, tuy nhiên các hệ thống này lại nhạy cảm quá mức với nhiều yếu tố môi trường như gió, dẫn đến tổn thất phát điện và chi phí vận hành tăng cao. Khi an ninh năng lượng và biến đổi khí hậu trở thành trọng tâm, các kỹ sư điện thiết kế và lắp đặt các màn chắn gió bằng vải để giúp các nhà máy điện duy trì hiệu quả vận hành.

Ferrybridge (cận cảnh) và địa điểm liền kề của Nhà máy Ferrybridge 2 (Ảnh st)

Bình ngưng làm mát bằng không khí (ACC) sử dụng không khí xung quanh để ngưng tụ hơi nước thải ra từ tuabin, loại bỏ nhu cầu làm mát bằng nước. 

Các hệ thống này sử dụng một dãy các quạt lớn truyền động bằng động cơ để đẩy không khí qua các ống có cánh tản nhiệt, làm mát hơi nước thành nước ngưng và trả về lò hơi. Việc loại bỏ nước cho phép linh hoạt hơn trong việc bố trí các nhà máy điện và giải quyết các mối quan ngại xung quanh việc sử dụng nước như một nguồn lực - có thể tốn kém để xử lý.

Tuy nhiên, theo Gary Dicker, chuyên gia làm mát của Công ty Galebreaker tại Vương quốc Anh, Châu Âu và Trung Đông, phương pháp làm mát này gặp phải nhiều hách thức.

“Khi gió làm gián đoạn hoạt động của ACC, nó có thể gây ra sự thiếu hiệu quả đáng kể về mặt cơ học và nhiệt.”

“Một trong những vấn đề chính mà chúng tôi thấy là gió đứt, làm mất ổn định luồng khí và gây mất cân bằng giữa các ô quạt. Điều này dẫn đến ứng suất cơ học, đặc biệt là trên các cánh quạt, có thể dẫn đến tăng độ rung và cuối cùng là hỏng hóc linh kiện. Ngoài ra, dòng không khí kém làm giảm hiệu quả làm mát và có thể là nguyên nhân gây ra hiện tượng tuần hoàn không khí nóng,” ông nói.

Cánh quạt ACC bị hư hại. Gió cắt ngang cực đoan có thể khiến quạt bị vấp và cánh quạt bị hỏng. Mỗi lần thay thế quạt có thể tốn hơn 40.000 bảng Anh và mất tới bốn tuần để lắp đặt (Ảnh st)

Đối với các nhà quản lý nhà máy, sự sụt giảm tính năng này thường dẫn đến việc giảm công suất, nghĩa là nhà máy hoạt động dưới công suất thiết kế, tác động trực tiếp đến sản lượng điện và gây ra mất doanh thu. Trong một số trường hợp, chi phí tài chính do tính năng ACC giảm có thể rất lớn do các nhà máy buộc phải đốt nhiều nhiên liệu hơn để bù đắp cho lượng điện bị mất hoặc thậm chí phải tạm thời ngừng hoạt động để bảo vệ thiết bị, khiến tổn thất nặng hơn hoặc phải chịu các khoản phạt tài chính.

Tại sao lại dùng các màn chắn gió?

“Gió là kẻ trộm không khí, lấy cắp không khí khỏi nơi bình ngưng cần không khí nhất”, Gary nói. “Các màn chắn gió sẽ chống lại tác động này, ổn định luồng không khí và đảm bảo bình ngưng có thể tiếp cận luồng không khí cần thiết để đạt hiệu suất tối ưu bằng cách điều hòa tốc độ gió và chuyển hướng dòng gió”.

“Các màn chắn gió hoạt động như một rào cản, làm chậm gió ngang và ổn định luồng không khí bên dưới quạt gió, cho phép ACC sử dụng không khí hiệu quả hơn để làm mát, đồng thời giảm rung động cơ học.”

Tác động của gió ngang lên ACC (Ảnh st)

Gió ngang có tác động bất lợi đến tính năng của các ACC. Khi không khí va chạm với vách gió, nó tăng tốc bên dưới các quạt, gây ra gió cắt, thay đổi áp suất tĩnh của quạt và tải trọng động của cánh quạt. Tốc độ gió tăng chỉ 5m/s có thể tương đương với việc giảm 30% lưu lượng gió.

“Trọng tâm là mang lại sự ổn định và hoạt động nhất quán. Mục tiêu chính của màn chắn gió là bảo vệ tính năng bằng cách giảm thiểu các vấn đề về gió; không nhất thiết phải tăng sản lượng vượt quá mức thiết kế ban đầu”, ông giải thích.

Một trong những lợi thế chính của màn chắn gió là khả năng thích ứng và hiệu quả về chi phí khi sử dụng như một giải pháp cải tạo nâng cấp. “Việc giảm thiểu vấn đề về gió không phải lúc nào cũng được xem xét trong giai đoạn thiết kế”, Gary nói. “Thêm vào đó, thực tế là nhiều nhà máy điện phải đối mặt với những hạn chế về không gian hoặc quy hoạch quyết định vị trí đặt nhà máy. Ngân sách vận hành có thể hạn chế hơn nữa việc sửa đổi thiết kế sau khi xây dựng.”

“Chúng ta không thể kiểm soát nhiệt độ môi trường xung quanh hoặc tốc độ gió, nhưng chúng ta có thể tác động đến cách gió tương tác với các thành phần của nhà máy. Màn chắn gió cung cấp một giải pháp linh hoạt, không xâm lấn - thường lắp đặt bằng chốt và dây đai đơn giản, cố định vào cơ sở hạ tầng hiện có. Điều này khiến chúng trở thành một giải pháp thay thế tiết kiệm chi phí cho những thay đổi về cấu trúc”, Gary nói.

“Các kỹ sư làm các màn chắn gió này từ vải lưới, nhờ đó chúng nhẹ nhưng vẫn bền lâu. Các giải pháp kỹ thuật tốt nhất có thể tồn tại tới 20 năm, như chúng ta đã thấy với các lưới chắn tại Nhà máy điện Coryton ở Vương quốc Anh. Thời gian hoàn vốn thông thường đối với các lưới chắn dao động từ 4 đến 12 tháng.”

Vai trò của mô hình hóa CFD

Mô hình hóa động lực học chất lưu tính toán (CFD) là cốt lõi của việc tối ưu hóa vị trí lắp màn chắn gió, cung cấp phương pháp tiếp cận dựa trên bằng chứng để nâng cao tính năng ACC. 

Phân tích CFD cho phép các kỹ sư thử nghiệm luồng gió xung quanh các bề mặt và các cấu trúc của nhà máy, xác định cách nó sẽ tác động ra sao đến hiệu quả ACC bằng cách tái tạo ảo bố cục của nhà máy.

Mô hình CFD (Động lực học chất lưu tính toán) của Ferrybridge 1 (Ảnh st).

Mô hình hóa động lực học chất lưu tính toán cung cấp giải pháp dựa trên bằng chứng để cấu hình hóa màn chắn gió. Người ta đặt luồng không khí lên các bề mặt xa của mô hình ở cả hai phía để mô phỏng hướng luồng không khí, đồng thời tính đến cơ sở hạ tầng gần ACC.

Chi tiết hướng đông nam của ACC ở Ferrybridge 1 trong mô hình CFD (Ảnh st)

Vật ghép đôi kỹ thuật số cân nhắc các kích thước của các thành phần chính của ACC: quạt, bó ống, ống góp và các vách gió, vì chúng ảnh hưởng đến luồng không khí.

Thông qua việc mô hình hóa này, Công ty Galebreaker (Vương Quốc Anh) thấy rằng phương pháp tiếp cận màn chắn gió kép - kết hợp cả màn chắn gió bao quanh và màn chắn hình chữ thập - mang lại kết quả tốt nhất.

Việc xử lý các kết quả CFD bằng phương pháp “bản sao số” này cho phép phân tích chi tiết về cách các nhà quản lý nhà máy có thể kỳ vọng các màn chắn gió tác động đến tính năng ra sao.

Phân tích các kết quả CFD, Ferrybridge 1 (Ảnh st)

 Cách bố trí độc đáo của các ACC tại Ferrybridge dẫn đến nhiều quạt bị ảnh hưởng hơn do cách phân chia của hai tổ máy ACC. Gió tây thịnh hành ảnh hưởng đến hơn một nửa số quạt trên tổ máy 2, dẫn đến các vùng lưu lượng thấp. Biểu đồ cho thấy tốc độ không khí qua các quạt gió. Các vùng màu lam trên các ô quạt biểu thị các vùng có lưu lượng thấp hoặc âm.

Vượt qua những thách thức về gió tại nhà máy Ferrybridge 1 của Công ty Enfinium

Ferrybridge 1 của Công ty Enfinium (Vương quốc Anh) là một cơ sở chuyển đổi chất thải thành năng lượng (WtE) tại Knottingley, West Yorkshire, Vương quốc Anh, với tổng công suất phát điện lên tới 85MW. Nhà máy xử lý khoảng 725.000 tấn rác thải dư thừa mỗi năm.

Lee Rhodes tiếp quản vị trí Giám đốc điều hành tại Ferrybridge vào năm 2022 và ngay lập tức nhận thấy nhiều vấn đề về tính năng.

Hiệu ứng dây chuyền có hai mặt: Giảm công suất nhà máy làm giảm sản lượng điện, trong khi giảm công suất cấp lò hơi làm chậm toàn bộ quá trình chuyển đổi chất thải thành năng lượng.

Giải quyết vấn đề

Do quy mô của vấn đề, Enfinium đã tìm kiếm một giải pháp có thể biện minh tài chính rõ ràng. Đối với Lee Rhodes, mô hình hóa CFD đóng vai trò quan trọng trong quá trình ra quyết định.

Màn chắn gió bao quanh tại Ferrybridge 1 (Ảnh st)

Màn chắn gió hình chữ thập tại Nhà máy điện và nhiệt kết hợp Fadhili (Ảnh st)

Bản sao số cung cấp các dự báo tính năng rất quan trọng để biện minh cho khoản chi phí vốn.

Kết quả rất rõ ràng: các chuyên gia dự báo thời gian hoàn vốn chỉ bảy tháng, dựa trên sản lượng megawatt tăng lên, với lợi ích tài chính tương đương 150.000 bảng Anh.

Những cải thiện có thể lượng hóa

Kể từ khi lắp đặt các màn chắn gió, Ferrybridge 1 đã chứng kiến ​​sự cải thiện đáng kể về tính năng.

 

So sánh Biểu đồ phân tán của Ferrybridge 1 và Ferrybridge 2 (Ảnh st)

Ferrybridge 1, Biểu đồ màu lam, đã lắp đặt các màn chắn gió Galebreaker. Ferrybridge 2, Biểu đồ màu lục, hiện chưa có các màn chắn gió

Hướng tới tương lai: Gió và biến đổi khí hậu

Theo tiên đoán của Lee Rhodes, nhiệt độ môi trường tăng do biến đổi khí hậu sẽ khiến tính năng ACC trở nên khó khăn hơn, làm tăng nhu cầu giảm thiểu gió.

Do các màn chắn gió đã chứng minh được giá trị của chúng, hiện đang có các kế hoạch tiến hành lắp đặt chúng tại bốn địa điểm, bao gồm địa điểm mới của công ty tại Skelton Grange.

Nhà máy điện và nhiệt kết hợp Fadhili - giải quyết các thách thức của ACC ở sa mạc

Nhà máy điện và nhiệt kết hợp Fadhili (FCHPP) là một cơ sở đốt khí công suất 1507MW tại Tỉnh phía Đông của Ả Rập Xê Út. Công ty Engie Energy Services (Pháp), Công ty Saudi Aramco (Ả Rập Xê Út) và Công ty Saudi Electricity Company đồng sở hữu nhà máy. Nhà máy này đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của đất nước. 

FCHPP đi vào vận hành năm 2020, nằm cạnh Nhà máy khí Fadhili của Công ty Saudi Aramco, nhà máy khí đầu tiên xử lý khí không đồng hành từ cả các mỏ trên bờ và ngoài khơi, với công suất xử lý là 70 triệu m³ chuẩn mỗi ngày (BSCFD). FCHPP là một phần không thể thiếu của Nhà máy khí Fadhili của Saudi Aramco vì nhà máy phụ thuộc hoàn toàn vào FCHPP để cung cấp 1.447 tấn hơi nước quy trình mỗi giờ (TPH) và 768 TPH nước cấp. 

Vị trí sa mạc của Fadhili đặt ra những thách thức nghiêm trọng cho hệ thống ACC.

Nhà máy đã cân nhắc đến phương pháp làm mát đoạn nhiệt, nhưng chi phí cao và thiếu nước khiến giải pháp này không khả thi.

Bố trí các màn chắn gió bao quanh (phía trên) và các màn chắn gió hình chữ thập (phía dưới) (Ảnh st)

Các màn chắn gió bao quanh lắp bên trên giảm thiểu gió cắt để bảo vệ các quạt ACC, trong khi màn chắn hình chữ thập - theo đội hình chữ thập, bên dưới các quạt – giúp ổn định luồng không khí, làm giảm nguy cơ tuần hoàn. Các màn chắn cố định vào các khung đỡ bằng thép ACC thông qua chốt và móc

Để đảm bảo vị trí lắp đặt màn chắn gió tối ưu, Galebreaker đã sử dụng mô hình CFD, đảm bảo sự cần thiết yêu cầu cho các nhà đầu tư và cổ đông của nhà máy.

Kể từ khi lắp đặt hệ thống chắn gió vào năm 2023, Fadhili đã có những cải thiện đáng kể. Nhà máy đã thu hồi vốn đầu tư nhanh chóng, đạt được mục tiêu hoàn vốn chỉ trong vòng ba tháng.

Biểu đồ phân tán, trước và sau khi lắp đặt hệ thống chắn gió tại Ferrybridge 1 (Ảnh st)

Biểu đồ màu cam biểu thị độ chân không của các ACC trước khi Galebreaker lắp đặt màn chắn gió. Biểu đồ màu xanh lam biểu thị độ chân không sau khi lắp đặt.

Với tình trạng thiếu nước thúc đẩy nhiều nhà máy ở Vương Quốc Ả Rập Xê Út áp dụng bộ ngưng tụ làm mát bằng không khí, Muhammad dự đoán nhu cầu về hệ thống chắn gió sẽ tăng.

Những phát triển trong tương lai

Khi điều kiện khí hậu trở nên khó lường hơn, nhu cầu trong tương lai có thể sẽ đòi hỏi những chiến lược tiên tiến hơn. 

Galebreaker hiện đang tìm hiểu những cách để tăng cường công nghệ hệ thống chắn gió, bao gồm khả năng tích hợp các hệ thống làm ướt chuyên dụng để cung cấp giải pháp thay thế cho phương pháp làm mát đoạn nhiệt truyền thống, giải quyết cả vấn đề về nhiệt độ và gió. 

Biên dịch: Hồ Văn Minh

Theo “Modern power systems”, tháng 5/2025