Tuabin khí HA: Nâng hiệu suất NM điện chu trình hỗn hợp

GE vào top 3 công ty đang góp phần thay đổi thế giới
Giải pháp số cho các nhà máy điện

Kỷ lục Guinness Thế giới

Vào tháng 6/2016, tại Nhà máy Bouchain (Pháp), GE và Tập đoàn Điện lực Pháp Électricité de France (EDF) chính thức đưa nhà máy điện chu trình hỗn hợp đầu tiên được trang bị tuabin khí công nghệ HA vào vận hành, mở ra kỷ nguyên mới của công nghệ năng lượng và hội nhập với công nghệ số. Với nhà máy này, GE đã được trao kỷ lục Guinness cho việc phát triển giải pháp công nghệ nâng hiệu suất của một nhà máy điện chu trình hỗn hợp đạt mức cao nhất thế giới lên tới 62,22%. “Chúng tôi rất vui mừng được công nhận bởi kỷ lục Guinness cho việc phát triển mô hình nhà máy điện chu trình hỗn hợp hiệu suất nhất thế giới. Chúng tôi cũng rất tự hào rằng, công nghệ này đã mang tới cho khách hàng của chúng tôi sự linh hoạt và đáng tin cậy hàng đầu”, ông Steve Bolze, Chủ tịch GE Power chia sẻ.

Trái tim của nhà máy – một tuabin khí tân tiến, có thể chuyển đổi hơn 62% năng lượng từ nhiên liệu đầu vào thành điện năng. Trong lĩnh vực công nghiệp năng lượng, điều này giống như khi Neil Armstrong và Buzz Aldrin đặt chân lên mặt trăng hay như vận động viên Sir Roger Banister phá kỷ lục huyền thoại “1 dặm 4 phút”.

Tuabin 9HA.01 (tên theo danh mục của GE) có trọng lượng ngang với một chiếc Boeing 747 chứa đầy hành khách và có khả năng tạo ra lượng điện năng phục vụ nhu cầu của hơn 680.000 hộ gia đình ở Pháp. Tuabin có thể đạt công suất tối đa sau chưa đầy nửa tiếng khởi động, giúp đơn vị vận hành là EDF Energy nhanh chóng đáp ứng được sự biến động về cung cầu bằng các nguồn năng lượng tái tạo liên tục như năng lượng gió, năng lượng mặt trời. “Mô hình nhà máy chu trình hỗn hợp có thể giúp tiết kiệm rất nhiều chi phí sản xuất. Theo tính toán của chúng tôi, cứ mỗi nhà máy công suất 1.000MW sử dụng 2 tuabin khí công nghệ HA có thể tiết kiệm 50 triệu USD nhiên liệu khí trong thời gian 10 năm bằng cách nâng hiệu suất lên 1%”, ông John Lammas, Giám đốc công nghệ của GE Power đồng thời là Phó chủ tịch Gas Power Technology phân tích.

Theo ông Lammas, thông thường cần cả thập kỷ nghiên cứu phát triển để hiện thực hóa việc tăng hiệu suất lên 1%. “Nhưng chúng tôi chỉ mất 36 tháng để phát triển tuabin HA và khoảng 6 năm tất cả để đạt được những gì chúng tôi đã làm với nhà máy điện tại Bouchain. Lần này, chúng tôi đã nâng được hiệu suất từ mức dưới 60% lên tới trên 62% - đó thực sự là một mức cải thiện lớn. Và chưa hết, chúng tôi còn đang thử nghiệm công nghệ có thể đưa tới mức hiệu suất 65% trong tương lai”, ông hào hứng chia sẻ.

Một cách cụ thể, GE đã được công nhận bởi Kỷ lục Guinness cho việc sử dụng khí tự nhiên để sản xuất điện năng bên trong tuabin khí, sau đó sử dụng nhiệt lượng thải ra để tạo ra hơi nước, sẽ sản sinh thêm nhiều điện năng sau khi đi qua một tuabin hơi. “Hiệu suất nhà máy chúng tôi đo được một cách chính xác là 62,22%, chưa một công ty nào có thể đạt được mức cao hơn. Kỷ lục gần nhất là 61,5% không sử dụng tuabin khí của GE”, ông Lammas thông tin.

Năng lượng từ công nghệ tiên tiến nhất

Nhận định về hệ thống thiết bị tại Bouchain, ông Lammas nói: “Thành công này là sự kết hợp của nhiều yếu tố. Chúng tôi sử dụng vật liệu tiên tiến, lớp chắn nhiệt và công nghệ làm mát hiệu quả để có thể vận hành ở nhiệt độ cao. Tuabin cũng được thiết kế với cánh quạt dạng cong - các aerofoils, tạo ra khí động lực đáng kinh ngạc”.

Bên cạnh việc đạt được mức hiệu suất cao chưa từng có, tuabin khí công nghệ HA còn rất linh hoạt, có khả năng nâng công suất lên mức tối đa sau chưa đầy 30 phút. Điều này giúp nâng cao khả năng đáp ứng nhanh trước biến động về cung cấp điện trên lưới, mở đường cho việc sử dụng rộng rãi năng lượng tái tạo của tất cả các nhà sản xuất, hòa vào lưới điện quốc gia và thích ứng với thay đổi khí hậu. Những tiến bộ này đẩy mạnh việc thực hiện các thỏa thuận của 195 quốc gia tại COP21 Paris về giảm phát thải khí nhà kính, tập trung hơn vào khai thác các cơ hội từ năng lượng sạch. “Với việc xây dựng nhà máy nhiệt điện thế hệ mới, EDF thể hiện rõ định hướng áp dụng công nghệ tiên tiến nhất trên thị trường giúp các nhà máy tại Pháp đạt được hiệu suất cao hơn, đồng thời hỗ trợ chuyển đổi năng lượng”, ông Jean Bernard Lévy, Tổng giám đốc EDF nói. Đây cũng là cam kết cải tiến của EDF theo Chương trình CAP 2030.

Nhà máy Bouchain là bằng chứng có ý nghĩa quan trọng về năng lực công nghệ của GE,đã phá kỷ lục thế giới về hiệu suất bằng cách khai phá các nguồn năng lượng chưa được tiếp cận trước đó. Năng lực đó, bao gồm hệ thống quản lý số, sử dụng dữ liệu thời gian thực để đạt được các kết quả tốt hơn với sự vận hành ổn định và hiệu quả, trong khi cung cấp những dự báo có giá trị cho hiệu suất cao hơn cũng như tối ưu hóa. Bên cạnh đó, công suất của máy nén khí công nghệ HA có thể điền đầy khinh khí cầu Goodyear trong vòng chỉ 10 giây, tốc độ đầu cánh tầng cuối cùng lên tới 1.200 mph/1.931 kph, cao gấp rưỡi tốc độ của âm thanh.

Tại buổi khánh thành nhà máy điện chu trình hỗn hợp đầu tiên của GE và EDF, ông Joe Mastrangelo, Chủ tịch kiêm Giám đốc điều hành Gas Power Systems của GE Power đã phát biểu: “Ngày hôm nay đánh dấu thời khắc quan trọng trong ngành công nghiệp của chúng ta, thời khắc mà lẽ ra không thể đến nếu không có sự cống hiến miệt mài của tập thể các cán bộ GE và EDF trên toàn thế giới, những người đã cam kết vì một tương lai sử dụng năng lượng hiệu quả hơn”. Ông nói thêm rằng: “Với việc khai thác từ kho tài nguyên GE rộng lớn hơn, chúng tôi đã có thể hợp tác trong những sáng kiến này, kết hợp đồng thời công cụ phần cứng và phần mềm phù hợp, cũng như các chuyên gia để đạt được những kết quả trên”.

GE tính toán rằng, khi một tuabin sử dụng 3,3 tấn hỗn hợp khí đốt tự nhiên và không khí, tương đương với thể tích 23 xe tải chở dầu, thì chỉ sản sinh ra 6,3 ounce chất lỏng gây ô nhiễm, một lượng chỉ nhỉnh hơn nửa lon sô-da chút ít. Đó là bởi tuabin vận hành ở nhiệt độ gần nhiệt độ tan chảy của thép. Các kỹ sư của GE đã mô phỏng dòng nhiệt bên trong một siêu máy tính và sử dụng các thiết kế, nguyên liệu và lớp chắn nhiệt đặc biệt được phát triển chuyên cho động cơ máy bay. Dòng khí nóng đi ra với vận tốc của bão cấp 5 – nhanh đến mức có thể điền đầy khinh khí cầu Goodyear trong vòng 10 giây. Theo ông Lammas, nếu không có các lớp chắn nhiệt, tuabin này “chỉ đơn giản giống như tạo ra một nhúm lửa từ sáp đốt”.

Chờ đợi điều gì tiếp theo?

Cách đây khoảng 10 năm, GE đã sản xuất tuabin khí công nghệ H, hỗ trợ nâng hiệu suất vận hành các nhà máy điện chu trình hỗn hợp lên 60% hoặc hơn. Tính tới năm 2015, tuabin khí H của GE đã có hơn 230.000 giờ vận hành tích lũy.

Công nghệ HA đẳng cấp thế giới của GE thực tế đã nhận được rất nhiều đơn đặt hàng từ các quốc gia như Mỹ, Anh, Brazil, Pháp, Nga, Đức, Thổ Nhĩ Kỳ, Ai Cập, Argentina, Nhật Bản, Hàn Quốc, Thái Lan và Pakistan. GE cho biết, công ty đang hướng tới mục tiêu đạt hiệu suất 65% trong thời gian tới, với công nghệ và vật liệu tiên tiến, trong nỗ lực nâng cao hiệu quả hoạt động thiết bị tới một tầm cao mới.

Công nghệ và năng lực thiết kế nhà máy định hướng phát triển thị trường tuabin khí

Hiện tại, GE đang bắt đầu thử nghiệm các công nghệ giúp đưa tới hiệu suất 65%. Tập đoàn này cũng đã phát triển loại vật liệu tổng hợp dạng lưới bằng chất liệu sứ - ceramic matrix composites (CMCs) nhẹ vừa đủ, nhưng cũng đủ cứng và chịu nhiệt. GE Aviation hiện đã và đang sử dụng loại vật liệu này trong các động cơ máy bay và xây dựng nhà máy sản xuất hàng loạt các thiết bị làm từ CMCs.

Thêm nữa, GE cũng sử dụng công nghệ in phun 3D để tạo ra các đường rãnh làm mát hiệu quả hơn bên trong tầng cánh, điều mà trước đó chưa thực hiện được. Sự kết hợp của vật liệu CMCs và các bộ phận được in phun 3D sẽ giúp làm tăng nhiệt độ buồng đốt (firing temperature) của tuabin có thể lên tới 1.600 độ C, qua đó nâng cao hiệu suất nhà máy. “Chúng tôi sẽ luôn cải tiến phương thức khí động lực và tìm cách nâng cao áp suất và nhiệt độ trong bộ phận thu hồi nhiệt và qua tuabin hơi thu giữ càng nhiều năng lượng từ tuabin khí càng tốt. Chúng tôi đang sử dụng một trong những siêu máy tính mạnh nhất thế giới để mô phỏng dòng nhiệt bên trong tuabin và vận hành tuabin trong các điều kiện không ổn định. Những yếu tố này sẽ giúp chúng tôi đạt được mức kỷ lục tiếp theo”, ông Lammas nói.

Thích hợp cho ứng dụng tại Việt Nam

Cho tới thời điểm này, năng lượng than đá đang cung cấp xấp xỉ 30% lượng điện năng trên toàn thế giới, vẫn là đầu vào chính cho ngành sản xuất năng lượng tại Việt Nam. Trong khi đó, sự phong phú nguyên liệu khí đốt, bao gồm khí ga tự nhiên và khí tự nhiên hóa lỏng, tiếp tục làm gia tăng số lượng các nhà máy năng lượng khí đốt, mặc dù chi phí nhiên liệu có thể chiếm tới 70% tổng chi phí vận hành. Vì vậy, sự có mặt của công nghệ đột phá sẽ làm tăng hiệu quả của công tác sản xuất năng lượng và đảm bảo tính cạnh tranh. Cùng với chiến lược sử dụng năng lượng đầu vào hợp lý, các công nghệ này sẽ giúp đảm bảo cả yếu tố bền vững và chi phí hợp lý cho người tiêu dùng. Do đó, có thể khẳng định, các nhà máy điện khí sử dụng tuabin công nghệ H có thể cải thiện việc cung ứng điện “chất lượng cao” với chi phí thấp hơn. Hiệu quả sử dụng vốn và nhiên liệu của tuabin khí 9HA hiện đang giữ kỷ lục cao nhất trong lịch sử. Nếu được áp dụng tại Việt Nam, công nghệ này có thể góp phần đáng kể vào việc nâng cao hiệu quả vận hành của các nhà máy điện.

Tiến bộ công nghệ là động lực cho sự phát triển ngành công nghiệp năng lượng, không chỉ đáp ứng nhu cầu tiêu thụ mà còn giảm tác động tới môi trường. Tuabin khí 9HA là giải pháp hiệu quả có thể làm thay đổi tương lai sản xuất năng lượng ở Việt Nam. Tiêu thụ điện năng trong nước đang có xu hướng tăng ổn định. Đây là nền tảng cho sự phát triển kinh tế - xã hội tại Việt Nam. Nền kinh tế được kỳ vọng tăng trưởng hàng năm trên 5% cho tới năm 2020, dẫn tới nhu cầu tiêu thụ tăng lên mức 360 tỷ kWh vào năm 2020 từ mức ước đạt 210 tỷ kWh trong năm 2015.

Để thực hiện Tổng sơ đồ điện VII cho giai đoạn 2011-2020, tầm nhìn tới năm 2030, Chính phủ Việt Nam ước tính tổng số vốn đầu tư cho ngành năng lượng là xấp xỉ 48,8 tỷ USD tính đến năm 2020 và khoảng 75 tỷ USD nữa cho giai đoạn 2021-2030.

Chiến lược Quốc gia về Tăng trưởng xanh giai đoạn 2011-2020 với tầm nhìn đến 2050 cũng kiên định mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính một lượng bằng 8-10% lượng phát thải năm 2010, đồng thời giảm tiêu thụ năng lượng một lượng có giá trị tương đương 1-1,5% GDP hàng năm. Nếu sự phát triển là nhằm hướng tới tốc độ tăng trưởng kinh tế tốt và đáp ứng nhu cầu của lượng dân số gia tăng, thì cam kết nghiêm túc về hiệu quả sử dụng năng lượng là điều cần thiết.

SONG ANH

Đây là cách thức nhà máy chu trình hỗn hợp tạo ra điện năng và gom giữ nhiệt lượng thải từ tuabin khí làm tăng công suất và hiệu suất phát điện.

Tuabin khí đốt cháy nhiên liệu

Không khí nén được trộn với nhiên liệu khí sau đó được đốt trong buồng đốt ở nhiệt độ rất cao, còn gọi là “Nhiệt độ buồng đốt”. Hỗn hợp khí nóng sau khi đốt sẽ di chuyển qua các tầng cánh, làm cánh quạt quay. Tuabin quay với tốc độ nhanh làm chạy máy phát, chuyển hóa một phần năng lượng của chuyển động quay thành điện năng.

Nguyên lý chung: Nhiệt độ buồng đốt tuabin càng cao thì hiệu suất vận hành nhà máy càng cao.

Hệ thống thu hồi nhiệt gom giữ nhiệt thải

Hệ thống lò hơi thu hồi nhiệt (HRSG) thu gom nhiệt thải sinh ra bởi tuabin khí – lượng nhiệt mà lẽ ra sẽ thoát ra môi trường. Từ đó, hệ thống HRSG sẽ tạo ra hơi nước và chuyển tiếp tới tuabin hơi.

Tuabin hơi sản xuất thêm một lượng điện năng

Tuabin hơi chuyển năng lượng dạng cơ năng đến trục động cơ máy phát điện, nơi mà năng lượng này được chuyển hóa thành điện năng bổ sung.