Công nghệ tua bin khí HA: Sáng tạo để dẫn đầu

Thách thức đến cùng cơ hội

Những năm gần đây, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, lượng tiêu thụ điện năng ở Việt Nam không ngừng gia tăng. Đơn cử, nếu GDP tăng bình quân 5%/năm, thì nhu cầu tiêu thụ điện của VN ước tính sẽ tăng lên khoảng 360 tỷ kWh vào năm 2020, vượt xa con số 210 tỷ kWh của năm 2015.

Thực hiện Quy hoạch Phát triển Điện lực Quốc gia giai đoạn 2011-2020, có xét đến năm 2030, ước tính, tổng vốn đầu tư cần thiết cho lĩnh vực điện sẽ xấp xỉ 48,8 tỷ USD tính đến năm 2020 và tăng lên khoảng 75 tỷ USD trong giai đoạn 2021-2030.

Theo Chiến lược Tăng trưởng xanh quốc gia thời kỳ 2011-2020, tầm nhìn 2050, Việt Nam đạt mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính 8-10% so với mức của năm 2010, giảm mức tiêu thụ năng lượng trên một đơn vị GDP 1,0-1,5% mỗi năm.

Như vậy, để đảm bảo kế hoạch trên được thực hiện với mục đích thúc đẩy nền kinh tế phát triển theo hướng tích cực, đáp ứng nhu cầu của người dân khi dân số đang ngày càng tăng lên, nhiệm vụ nâng cao hiệu quả sản xuất điện năng là một yếu tố vô cùng quan trọng cần được chú trọng.

Trong tiến trình này, các công nghệ tiên tiến cần được áp dụng để nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo khả năng cạnh tranh của các nhà máy điện. Việc phân bổ cơ cấu hợp lý để giải quyết bài toán chiến lược về đầu tư nguồn điện sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau sẽ giúp đảm bảo giá điện hợp lý và ổn định cho người dân.

Hiện tại, nhiệt điện đốt than đang cung cấp khoảng 30% năng lượng thế giới và vẫn là lựa chọn chính cho nhiều nhà đầu tư trong ngành công nghiệp năng lượng Việt Nam. Song, sự phong phú của nhiên liệu khí, bao gồm khí thiên nhiên và khí thiên nhiên hóa lỏng đang dẫn đến sự gia tăng số lượng nhà máy điện sử dụng nhiên liệu khí đốt, mặc dù chi phí nhiên liệu cho các nhà máy này có thể chiếm tới 70% giá thành sản xuất điện.

Dự kiến, sản xuất điện từ nhiên liệu khí sẽ chiếm khoảng 30% công suất lưới điện trên toàn cầu trong vòng 10 năm tới. Với thế mạnh ưu việt trong việc cung cấp các công nghệ sản xuất điện, Tập đoàn General Electric (GE) của Hoa Kỳ đã đưa ra thị trường sản phẩm tuabin khí 9HA có công suất, tính hiệu quả và độ linh hoạt cao nhất trong dòng tua bin khí công nghệ H. Một nhà máy điện tua bin khí chu trình hỗn hợp hiệu suất cao sẽ là một nguồn điện đáng tin cậy với giá thành sản xuất điện hợp lý, góp phần giảm thiểu tác động tới môi trường. Việc phát triển các công nghệ phù hợp có thể nâng cao hiệu suất của nhà máy điện chu trình hỗn hợp lên tới con số 65% (LHV- nhiệt trị thấp) trong tương lai. Những đổi mới và nỗ lực về mặt công nghệ là một trong những giải pháp đang được trông đợi, đáp ứng nhu cầu về năng lượng ngày càng gia tăng tại Việt Nam.

Công nghệ tuabin khí của GE

Lối mở cho nhiên liệu khí

Thị trường hơn 10 năm trước đã chứng kiến sự ra đời của dòng sản phẩm tua bin khí công nghệ H đầu tiên trên thế giới. Nhà máy điện chu trình hỗn hợp sử dụng công nghệ này có khả năng đạt hiệu suất lên tới hơn 60%. Cho đến nay, tua bin khí công nghệ H của GE đã tích lũy được hơn 230.000 giờ vận hành. Không dừng lại ở đó, tháng 1-2015, tua bin khí 9HA phiên bản làm mát bằng không khí dành cho thị trường sử đụng điện với tần số 50Hz đã vượt qua ba tháng thử nghiệm ngặt nghèo và toàn diện tại xưởng sát hạch của GE tại Greenville, Bang Nam Carolina, Hoa Kỳ. Tạp chí Gas Turbine Wird đã nhận xét: Sản phẩm này đảm bảo hiệu quả về chi phí sử dụng nhiên liệu tốt nhất, với chỉ số hiệu suất cho nhà máy điện chu trình hỗn hợp trên 61%. Đến nay, tua bin khí công nghệ HA đã nhận được sự tin tưởng của nhiều khách hàng, 17 đơn đặt hàng và 68 lựa chọn kỹ thuật (Lựa chọn kỹ thuật là một trong những bước đầu tiên xây dựng một nhà máy điện. Nó mang ý nghĩa, khi được xây dựng và đưa vào vận hành, các nhà máy điện này sẽ sử dụng tua bin khí của GE. Theo lựa chọn kỹ thuật, nhà đầu tư sẽ bảo đảm tài chính, cho phép lắp đặt và thực hiện một số hỗ trợ khác) tại nhiều quốc gia trên thế giới, bao gồm Hoa Kỳ, Anh, Brazil, Pháp, Đức, Nga, Thổ Nhĩ Kỳ, Ai Cập, Argentina, Nhật Bản, Hàn Quốc và Pakistan.

Tua bin khí 9 HA.01 với công suất 397 MW và 9HA.02 với công suất 510 MW (chu trình đơn) hiện đang đứng đầu trong dòng tua bin khí công nghệ H. Các nhà máy điện chu trình hỗn hợp sử dụng công nghệ tua bin 9HA.01 và 9HA.02 đạt hiệu suất lên tới trên 61% (ở điều kiện tiêu chuẩn ISO) và có công suất tương ứng là 592 MW và 755 MW điện.

Theo thuật ngữ của GE, tua bin khí công nghệ H được gắn liền với đặc điểm có nhiệt độ buồng đốt rất cao, từ khoảng 1.400 độ C (2.600 độ F) lên tới 1.600 C (2.900 độ F). Buồng đốt của tua bin khí công nghệ HA là loại DLN 2.6+ (Dry Low Nox) ứng dụng vật liệu hợp kim đơn tinh thể, kế thừa từ dòng máy 9F.05 có từ năm 2005. Tua bin khí HA sử dụng máy nén khí có 14 tầng cánh với thiết kế khí động học 3D, trong đó có 3 tầng cách với khả năng tùy biến hướng, được kế thừa từ thế hệ máy 7F có từ năm 2012 giúp tăng khả năng kiểm soát vận hành của máy nén trong quá trình khởi động, giảm tải cũng như đáp ứng điều chỉnh khi có thay đổi về nhiệt độ môi trường. Bộ phận tua bin được kế thừa từ dòng máy H đầu tiên ra đời từ năm 2003, bao gồm bốn tầng cánh đều có khả năng tùy biến hướng.

Nhờ thiết kế làm mát bằng không khí, sử dụng vật liệu tiên tiến, có độ tin cậy và khả năng vận hành đã được kiểm chứng, các tua bin khí này cho phép chuyển đổi nhiên liệu khí đốt thành điện với chi phí hiệu quả nhất, đồng thời nâng cao khả năng vận hành của hệ thống lưới điện.

Thực tế chứng minh, HA đang chuyển đổi ngành công nghiệp năng lượng, giúp giảm lượng khí phát thải CO2, giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng, góp phần bảo vệ môi trường và quan trọng nhất là giảm giá điện cho người tiêu dùng. Ông Ramesh Singaram, Chủ tịch Khối sản xuất điện của GE Power an Water tại Khu vực châu Á - Thái Bình Dương, cho biết: GE đầu tư gần 2 tỷ USD vào công nghệ có hiệu suất cao này và được khách hàng trên toàn thế giới ghi nhận rằng, sự đầu tư của GE đem lại lợi ích trực tiếp cho họ và qua đó cung cấp nguồn điện năng hiệu quả hơn tới người tiêu dùng.

Giải bài toán chi phí - lợi ích

Một nhà máy điện sử dụng tua bin khí ông nghệ HA có thể mang lại cho nhà đầu tư lợi ích. Giả định, nhà đầu tư sẽ xây dựng một nhà máy điện tua bin khí chu trình hỗn hợp với dải công suất 750 MW đến 800 MW. Phương án đầu tiên, sử dụng hai tua bin khí công nghệ F-2x1 CC 9F công suất 800 MW và phương án thứ hai là sử dụng một tua bin khí công nghệ H - 1x1 CC 9HA.02 với công suất 750 MW. Ở đây nhà đầu tư có thể đánh giá hiệu quả kinh tế của hai phương án công nghệ trong thời gian hoạt động 25 năm, với mức giá khí đốt là 8,2 USD/MMBTU, hệ số năng lực hoạt động là 68,6% (tương đương 6.000 giờ vận hành/năm), tỷ lệ trượt giá của chi phí nhiên liệu ở mức 3%/năm và tỷ lệ chiết khấu 10%. Điều kiện vận hành tại vị trí đặt nhà máy được giả định ở nhiệt độ 30 độ C và độ ẩm 80%.

Do việc giảm khối lượng tua bin khí từ 2 xuống 1, lò thu hồi nhiệt từ 2 còn 1, máy phát từ 3 xuống 1, cộng với việc giảm thiểu đáng kể các trang thiết bị phụ trợ, diện tích phần đất để xây dựng nhà máy công nghệ 1x1 CC 9HA.02 (từ 4-6 ha) chỉ chiếm khoảng 50% so với nhà máy công nghệ 2x1 CC 9F. Hơn nữa, nhà đầu tư có thể tiết kiệm được khoảng 15 triệu USD nhờ thời gian lắp đặt được rút ngắn 4 tháng (tương đương 12,5% thời gian cần thiết để xây dựng nhà máy 2x1 CC 9F), cũng như những chi phí tiết kiệm được thông qua việc mô đun hóa, lắp ráp và hiệu chỉnh các bộ phận và phụ kiện trước khi lắp đặt tại công trường.

Hiệu suất tinh của nhà máy với cấu hình 1x1 CC 9HA.02 là trên 61,5% (LHV), cao hơn 3% so với cấu hình 2x1 CC 9F (58,5% - LHV), tương đương với việc nâng cao hiệu suất ước tính của cấu hình 2x1 CC 9F thêm 5,13%. Với giá khí đốt là 8,2 USD/MMBTU, ước tính, hiệu suất của nhà máy tăng thêm 1% sẽ mang lại giá trị tương đương khoảng hơn 25 triệu USD.

Nhờ hiệu suất cao hơn, nhà máy sử dụng công nghệ H sẽ tiêu thụ nhiên liệu ít hơn, dẫn đến chi phí nhiên liệu giảm khoảng 10,8%, tương đương 27,6 triệu USD mỗi năm so với nhà máy sử dụng công nghệ F. Việc giảm số lượng thiết bị chính và hệ thống phụ trợ trong nhà máy 1x1 CC 9HA.02 giúp tiết kiệm chi phí vận hành, bảo dưỡng khoảng 6,8 triệu USD mỗi năm, tương đương với việc cắt giảm 22,4% chi phí tương ứng của nhà máy 2x1 CC 9F. Chi phí vận hành, bảo dưỡng có thể thay đổi tùy vào điều kiện ở từng nhà máy cụ thể.

Trong giả dịnh này, chi phí tổng thầu chọn gói được tham khảo từ những dự án tương tự gần đây trong khu vực Đông Nam Á. Theo đó, tỷ lệ chi phí đầu tư của nhà máy cấu hình 2x1 CC 9F vào khoảng từ 600-700 USD/kW, và từ 500-600 USD/kW cho cấu hình 1x1 CC 9HA.02.

Kết quả cho thấy, việc áp dụng công nghệ H sẽ giúp giảm chi phí tổng thầu trọn gói khoảng 7,94%. (Xem biểu đồ)

Thời gian vận hành là 25 năm, với lợi thế này, nhà máy sử dụng công nghệ H có thể giúp giảm 6,6% chi phí sản xuất điện, tương đương với 0,0062 USD/kWh (136 đồng/kWh) so với sử dụng công nghệ F. Nhà máy 1x1 CC 9HA có chi phí sản xuất điện trong năm đầu tiên thấp hơn khoảng 0,075 USD/kWh (1.650 đồng/kWh) và chi phí sản xuất điện trung bình trong 25 năm sẽ thấp hơn 0,89 USD/kWh (1.980 đồng/kWh), với giả thiết tỷ giá USD/VND là 22.000 đồng.

Như vậy, tua bin khí HA có hiệu suất cao hơn và đem lại chi phí sản xuất điện thấp hơn đáng kể. Đây được xem như chỉ số quan trọng nhất đối với một nhà máy điện khi tham gia vào thị trường phát điện cạnh tranh.

Từ tính toán này, cùng với chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn, nhà máy 1x1 CC 9HA.02 sẽ thu được khoảng 147 triệu USD (NPV - giá trị hiện tại ròng), so với nhà máy 2x1 CC 9F trong suốt vòng đời dự án. Chi phí sản xuất điện giảm 6,6% nhờ công nghệ H sẽ có ý nghĩa không chỉ đối với người tiêu dùng ở việc giảm giá điện, mà còn mang lại tỷ lệ hoàn vốn cao hơn cho nhà đầu tư.

Việc phát triển một nguồn điện tin cậy, thân thiện với môi trường, và có chi phí sản xuất thấp thực sự có ý nghĩa với tất cả các quốc gia trên thế giới. Trên thực tế, thế giới đã và đang phát triển các kỹ thuật, công nghệ để đẩy nhanh quá trình nghiên cứu chế tạo, gia công mẫu các thế hệ tua bin khí mới, ví dụ công nghệ in 3D hay còn gọi là công nghệ sản xuất sử dụng phụ gia kết dính (additive manufacturing). Việc kết hợp những công nghệ này với các kỹ thuật khác như thiết kế 3D khí động học các tầng cánh, ứng dụng vật liệu gốm, nâng cao nhiệt độ buồng đốt tới 1.700 độ C hay cải tiến thiết kế bộ phận chèn (sealing) và trao đổi nhiệt, sẽ có thể cho phép nâng cao hiệu suất của nhà máy điện chu trình hỗn hợp trên 63% và thậm chí tới 65% trong tương lai không xa. Luôn hướng tới vị trí dẫn đầu trong lĩnh vực năng lượng thông qua việc phát triển các công nghệ phù hợp để có thể nâng cao hiệu suất của nhà máy điện khí chu trình hỗn hợp, công nghệ tua bin khí HA của GE sẽ là một giải pháp hiệu quả có thể làm thay đổi tương lai năng lượng Việt Nam.

HẢI VÂN