by 
1.GIỚI THIỆU
Phần này nêu tóm tắt những đặc điểm chính của hệ thống đồng phát hay hệ thống Nhiệt-Điện kết hợp (CHP).
1.1 Đồng phát là gì?
Hệ thống đồng phát là cách sản xuất liên tiếp hoặc đồng thời các dạng năng lượng hữu ích khác nhau (thường ở dạng cơ học và nhiệt) bằng một hệ thống đơn, hoặc hệ thống tích hợp.
Hệ thống CHP bao gồm một số các bộ phận như động cơ sơ cấp (động cơ nhiệt), máy phát, thu hồi nhiệt và hệ thống đấu nối điện, tất cả được kết hợp trong một hệ thống. Loại thiết bị điều khiển dẫn động (động cơ sơ cấp) thường sẽ quy định dạng của hệ thống CHP.
Các động cơ sơ cấp của hệ thống CHP bao gồm các động cơ pittông, đốt cháy hoặc tua bin khí, tua bin hơi, micrô tua bin, và các pin nhiên liệu. Những động cơ sơ cấp có thể sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau như khí tự nhiên, than, dầu và các nhiên liệu thay thế để tạo ra công suất hữu dụng hoặc cơ năng. Mặc dù năng lượng cơ học từ động cơ sơ cấp thường được sử dụng để chạy máy phát, sản xuất ra điện, tuy nhiên nó có thể được sử dụng cho các thiết bị quay như máy nén, bơm, và quạt. Nhiệt năng từ hệ thống này có thể được sử dụng trong các ứng dụng trực tiếp hoặc gián tiếp để sản xuất ra hơi, nước nóng, khí nóng cho các mục đích sấy hoặc nước mát cho mục đích làm mát của quy trình.
Hình 1. Hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống đồng phát (UNESCAP, 2000)
Hình 1 cho thấy ưu điểm về mặt hiệu suất của CHP so với hệ thống phát điện trạm trung tâm truyền thống và lò hơi tại nhà máy. Khi so sánh hai quy trình nhiệt và điện, một hệ thống CHP điển hình chỉ cần ¾ năng lượng sơ cấp so với hệ thống nhiệt điện riêng rẽ. Điều này giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu sơ cấp, và đó chính là lợi ích môi trường chính của CHP, vì việc đốt cháy lượng nhiên liệu như nhau nhưng đốt hiệu quả hơn sẽ giảm phát thải tính trên cùng một đơn vị đầu ra.
1.2 Lợi ích của đồng phát
Nếu như việc đồng phát được tối ưu hoá theo cách được mô tả ở trên (như định cỡ theo nhu cầu nhiệt), chúng ta có thể đạt được các lợi ích sau:
- Tăng hiệu suất chuyển đổi và sử dụng năng lượng
- Giảm phát thải ra môi trường, cụ thể là CO2, khí nhà kính chính.
- Trong một số trường hợp, nhiên liệu sinh khối và một số nguyên liệu thải khác như khí, quy trình hoặc rác thải nông nghiệp (phân huỷ yếm khí hoặc khí hoá), được sử dụng.
Những chất này đóng vai trò là nhiên liệu cho hệ thống đồng phát, tăng hiệu quả chi phí và giảm nhu cầu thải rác.
- Tiết kiệm nhiều chi phí, tăng khả năng canh tranh cho đối tượng sử dụng trong kinh doanh hoặc công nghiệp, và cung cấp nhiệt cho các hộ sinh hoạt.
- Là giải pháp giúp triển khai các phương thức phân quyền trong phát điện, ở các nhà máy được thiết kế nhằm đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng tại địa phương, mang lại hiệu suất cao, tránh được các tổn thất truyền tải và tăng sự linh hoạt trong việc sử dụng hệ thống. Điều này đặc biệt đúng với trường hợp khí tự nhiên là chất mang năng lượng
- Giải pháp giúp tăng sự đa dạng của phát điện, và nâng cao khả năng cạnh tranh. Đồng phát là phương tiện rất quan trọng giúp thúc đẩy tự do hoá trên thị trường năng lượng.
2. CÁC LOẠI HỆ THỐNG ĐỒNG PHÁT
Phần này nói về các loại hệ thống đồng phát: hệ thống đồng phát tua bin hơi, hệ thống đồng phát tua bin khí, hệ thống đồng phát động cơ pittông. Phần này cũng bao gồm phân loại các hệ thống đồng phát trên cơ sở trình tự năng lượng sử dụng.
2.1 Hệ thống đồng phát tua bin hơi
Tua bin hơi là một trong những công nghệ động cơ sơ cấp linh hoạt và lâu đời nhất trong sản xuất chung. Hệ thống phát điện tua bin hơi đã được áp dụng hơn 100 năm qua, khi chúng thay thế động cơ hơi pittông nhờ hiệu suất cao và chi phí thấp. Công suất của tua bin hơi dao động từ 50 kW đến hàng trăm MW ở các nhà máy sản xuất điện lớn. Các tua bin hơi được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng nhiệt-điện kết hợp (CHP). Chu kỳ nhiệt động lực học cho tua bin hơi là chu kỳ Rankine.
Chu kỳ này là cơ sở cho các trạm phát điện truyền thống và bao gồm một bộ phận cung cấp nhiệt (lò hơi) giúp chuyển hoá nước thành hơi áp suất cao. Trong chu kỳ hơi, nước được bơm lên ở áp suất trung bình và áp suất cao. Sau đó nước được đun nóng đến nhiệt độ sôi tuỳ theo áp suất, nước sôi (đun để chuyển từ dạng lỏng thành hơi), và thường là quá nhiệt (đun tới nhiệt độ cao hơn độ nhiệt độ sôi), một tua binh đa cấp làm giãn nở hơi sẽ làm giảm áp suất và hơi được đưa tới bình ngưng ở điều kiện chân không hoặc được đưa vào hệ thống phân phối hơi nhiệt độ trung gian giúp đưa hơi đến những nơi sử dụng cho mục đích thương mại hoặc công nghiệp. Nước ngưng từ bình ngưng hoặc hệ thống sử dụng hơi sẽ quay trở lại bơm nước cấp để tiếp tục chu trình.
Hai kiểu tua bin hơi được sử dụng rộng rãi nhất là tua bin đối áp và các tua bin ngưng - trích hơi. Việc lựa chọn tua bin đối áp và tua bin trích hơi phụ thuộc chủ yếu vào số lượng hơi và nhiệt, chất lượng nhiệt và các yếu tố kinh tế. Có thể trích hơi ở không chỉ một điểm trong tua
bin, tuỳ theo mức nhiệt độ mà quy trình cần.
2.1.1 Tua bin chạy bằng hơi đối áp
Tua bin đối áp là tua bin có cấu tạo đơn giản nhất. Hơi có trong tua bin ở áp suất bằng hoặc cao hơn áp suất khí quyển, tuỳ theo nhu cầu tải nhiệt. Đây là lý do tại sao chúng ta lại sử dụng thuật ngữ đối áp. Có thể trích hơi ở các cấp trung gian của tuabin hơi, với áp suất và nhiệt độ phù hợp với tải nhiệt. Sau khi ra khỏi tua bin, hơi được nạp vào tải, tại đó hơi giải phóng nhiệt và được ngưng tụ. Nước ngưng được đưa trở lại hệ thống với tốc độ dòng thấp hơn tốc độ dòng của hơi, nếu khối lượng hơi được sử dụng trong quy trình hoặc nếu có tổn thất qua hệ thống ống. Nước đã qua xử lý có thể giữ cân bằng khối lượng.
- Cấu tạo đơn giản với ít thành phần.
- Tránh được chi phí tốn kém cho áp suất hạ áp của tua bin.
- Chi phí vốn thấp.
- Giảm hoặc thậm chí không cần sử dụng nước làm mát.
- Hiệu suất toàn phần cao, vì không thải nhiệt ra môi trường qua máy nén.
Hệ thống hơi đối áp có những nhược điểm sau:
- Với cùng công suất đầu ra, tua bin hơi lớn hơn, vì nó phải vận hành với sự chênh lệch entthalpy của hơi thấp hơn.
- Lưu lượng hơi qua tua bin phụ thuộc vào mức tải nhiệt. Điện do hơi tạo ra được kiểm soát bởi tải nhiệt, điều này dẫn đến sự kém hoặc không linh hoạt trong việc phối hợp trực tiếp công suất đầu ra với tải điện. Do đó, cần có sự kết hợp hai chiều với lưới mua điện hoặc bán điện dư tạo ra. Có thể tăng sản xuất điện bằng cách cho hơi thoát trực tiếp ra khí quyển, nhưng cách này rất không hiệu quả. Điều đó dẫn tới việc lãng phí nước lò hơi đã qua xử lý, và nhất là mang lại kết quả hoạt động năng lượng và kinh tế kém.
2.1.2 Tua bin ngưng trích hơi
Ở hệ thống này, hơi sử dụng cho tải nhiệt có thể đạt được nhờ trích hơi từ một hoặc hai cấp trung áp với áp suất và nhiệt độ phù hợp. Hơi còn lại được xả tới áp suất của bình ngưng, có thể ở mức thấp khoảng 0,05 bar với nhiệt độ ngưng tương ứng khoảng 33°C. Rất khó có thể sử dụng nhiệt ở mức nhiệt độ thấp như vậy trong các ứng dụng hữu ích. Vì vậy, nhiệt được thải ra môi trường. So với hệ thống đối áp, tua bin ngưng trích hơi có chi phí vốn cao, và thường là hiệu suất toàn phần thấp hơn. Tuy nhiên, về một mặt nào đó, nó có thể kiểm soát được công suất điện không phụ thuộc vào tải nhiệt nhờ điều chỉnh chính xác tốc độ lưu lượng hơi qua tua bin.
2.2 Hệ thống đồng phát tua bin khí
Hệ thống đồng phát tua bin khí hoạt động theo chu kỳ nhiệt động lực học có tên gọi là chu trình Brayton. Ở chu trình này, không khí khí quyển được nén, gia nhiệt và giãn nở, với phần công suất dư do tua bin hoặc bộ giãn nở tạo ra được máy nén sử dụng để phát điện.
Hệ thống đồng phát tua bin khí có thể đáp ứng một phần hoặc toàn bộ nhu cầu năng lượng của nhà máy, và năng lượng được giải phóng ở nhiệt độ cao trong khí xả có thể được thu hồi để sử dụng cho các thiết bị ứng dụng làm mát hoặc gia nhiệt (xem hình 4). Dù khí tự nhiên được sử dụng phổ biếnl nhất, các loại nhiên liệu khác như dầu nhẹ hoặc diezen cũng có thể được sử dụng. Giải công suất điển hình của tua bin khí dao động từ một phần mấy MW tới khoảng 100 MW.
Trong những năm gần đây, hệ thống đồng phát tua bin khí được sử dụng với tốc độ ngày càng nhiều do sự sẵn có của các nguyên liệu khí tự nhiên, tiến bộ công nghệ nhanh, giảm chi phí lắp đặt đáng kể và mang lại hiệu quả môi trường cao. Ngoài ra, thời kỳ chuẩn bị triển khai dự án sẽ ngắn hơn và có thể chuyển giao thiết bị thuận tiện. Thời gian khởi động của tua bin khí ngắn, vận hành gián đoạn linh hoạt. Dù tua bin loại này cung cấp nhiệt để chuyển hoá thành điện thấp, có thể thu hồi được nhiệt nhiều hơn ở nhiệt độ cao hơn. Nếu sản lượng nhiệt ít hơn mức người sử dụng cần, có thể bổ sung thêm lượng khí đốt tự nhiên bằng cách trộn chất phụ gia với khí thải giàu oxy để tăng thêm sản lượng nhiệt.
2.2.1 Hệ thống đồng phát tua bin khí chu trình hở
Phần lớn các hệ thống tua bin khí hiện có, ứng dụng trong bất kỳ ngành nào đều vận hành theo chu trình Brayton mở (còn được gọi là chu trình Joule, ở chu trình này tính không thuận nghịch không được tính tới). Ở chu trình này, máy nén lấy không khí từ khí quyển và đưa vào buồng đốt với áp suất cao hơn. Nhiệt độ không khí cũng tăng do quá trình nén. Các thiết bị cũ và nhỏ hơn vận hành với tỷ lệ áp suất trong khoảng 15:1, còn những thiết bị mới hơn và lớn hơn vận hành ở tỷ lệ áp suất khoảng 30:1.
Không khí được đưa qua thiết bị khuyếch tán vào buồng đốt áp suất không đổi trong đó có nhiên liệu được bơm vào và đốt cháy. Thiết bị khuyếch tán giúp giảm vận tốc không khí xuống mức phù hợp với buồng đốt. Mức sụt áp qua buồng đốt trong khoảng 1,2%. Quá trình cháy diễn ra với mức khí dư cao. Khí thải thoát ra khỏi buồng đốt ở nhiệt độ cao với nồng độ oxy lên tới 15-16%. Nhiệt độ cao nhất của chu kỳ đạt được tại điểm này; nhiệt độ càng cao, hiệu suất quy trình càng cao. Cận trên được thiết lập ở nhiệt độ mà nguyên liệu của tua bin khí có thể chịu được, và do hiệu suất của cánh làm mát quy định. Với công nghệ hiện có, mức này ở vào khoảng 1300°C.
Áp suất và khí thải nhiệt độ cao đi vào tua bin khí sẽ sinh ra công cơ học để chạy máy nén và tải (v.d máy phát điện)Khí thải từ tua bin ở nhiệt độ khá cao (450-600°C), vì vậy khả năng thu hồi nhiệt ở nhiệt độ cao là khả thi. Điều này bị ảnh hưởng bởi lò hơi thu hồi nhiệt áp suất đơn hoặc đôi, để có thể thu hồi nhiệt hiệu quả hơn.
Hơi được tạo thành có thể ở nhiệt độ và áp suất cao, có thể sử dụng cho không chỉ các quy trình nhiệt mà còn để chạy tua bin hơi, tạo ra thêm điện.
2.2.2 Hệ thống đồng phát sử dụng tua binh khí theo chu trình khép kín
Ở hệ thống khép kín, chất lưu (thường là heli hoặc không khí) tuần hoàn trong một chu trình khép kín. Chúng được gia nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt trước khi đưa vào tua bin, và được làm mát sau khi tua bin giải phóng ra nhiệt hữu dụng. Vì vậy chất lưu vẫn sạch và không gây ra ăn mòn.
Nguồn nhiệt có thể là đốt cháy loại nhiên liệu bất kỳ bên ngoài. Cũng có thể sử dụng năng lượng hạt nhân hoặc mặt trời.
2.3 Hệ thống đồng phát động cơ pittông
Các động cơ pittông rất thích hợp với các ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, công nghiệp, thương mại và các cơ quan tổ chức để phát điện và đồng phát nhiệt-điện. Động cơ pitttông khởi động nhanh, công suất lớn, có hiệu suất tải từng phần phù hợp và nhìn chung có độ tin cậy cao. Trong rất nhiều trường hợp, các thiết bị sử dụng động cơ pittông đa cấp giúp tăng công suất toàn phần của nhà máy. Động cơ pittông có hiệu suất điện cao hơn tua bin khí cùng kích thước, vì vậy giúp giảm chi phí nhiên liệu vận hành.
Chi phí ban đầu của bộ động cơ pittông thường thấp hơn tua bin khí lên tới 3-5 MW về kích thước. Chi phí bảo trì động cơ pittông cao hơn tua bin khí nhưng việc bảo hành có thể được thực hiện bởi các nhân viên của nhà máy hoặc các cơ sở tại địa phương.
Năng lượng phát ra từ động cơ pittông được sử dụng cho các ứng dụng bao gồm thời gian chờ, hỗ trợ lưới và các ứng dụng CHP. Ứng dụng CHP cần sử dụng nước nóng, hơi áp suất thấp hoặc thiết bị làm lạnh hấp thụ nhiệt đốt cháy. Các động cơ pittông cũng được sử dụng rỗng rãi làm bộ điều khiển cơ học cho những thiết bị ứng dụng như bơm nước, nén khí và làm lạnh.
Hình 6: Hệ thống đồng phát sử dụng động cơ pittông (UNESCAP, 2000)
Mặc dù người ta mong đợi sự gia tăng trong việc sử dụng động cơ pittông cho các ứng dụng phân phối khác nhau, tuy nhiên ứng dụng phát tại nhà máy phổ biến nhất đối với động cơ SI sử dụng khí tự nhiên từ trước đến nay vẫn là CHP, và xu hướng này có khả năng tiếp tục tăng. Lợi ích kinh tế của động cơ sử dụng khí tự nhiên trong các ứng dụng phát tại nhà máy được tăng cường nhờ sử dụng hiệu quả nhiệt năng của khí thải và hệ thống làm mát, và nó thường chiếm khoảng 60 đến 70% năng lượng nhiên liệu vào.
Có bốn nguồn nhiệt thải từ động cơ pittông có thể sử dụng: khí thải, nước làm mát động cơ, nước làm mát dầu bôi trơn, và làm mát bộ nạp của tua bin. Nhiệt thu hồi được thường ở dạng nước nóng hoặc hơi hạ áp (<30 psig). Khí thải ở nhiệt độ cao hơn có thể tạo thành hơi trung áp(lên tới 150 psig), nhưng khí thải nóng chỉ chứa khoảng ½ nhiệt năng hiện có của một động cơ pittông. Một số nhà máy CHP công nghiệp sử dụng khí thải động cơ trực tiếp để sấy trong quy trình. Thông thường, nước nóng và hơi hạ áp do hệ thống CHP sử dụng động cơ pittông thích hợp với các nhu cầu quy trình đòi hỏi nhiệt độ thấp, gia nhiệt không gian, hâm nóng nước uống và để chạy thiết bị làm lạnh để cung cấp nước lạnh, điều hoà không khí hoặc làm lạnh.
Bảng 1. Các thông số vận hành đồng phát điển hình (nguồn: Uỷ ban năng lượng California, 1982)
2.4 Các phân loại hệ thống đồng phát khác
Người ta thường phân loại các hệ thống đồng phát theo trình tự sử dụng năng lượng và cơ chế vận hành áp dụng. Hệ thống đồng phát cơ bản có thể được phân loại thành chu trình đỉnh hoặc chu trình đáy .
2.4.1 Chu trình đỉnh
Với chu trình đỉnh, nhiên liệu cấp được sử dụng để tạo ra điện trước sau đó đến nhiệt, là sản phẩm phụ của chu trình và được sử dụng cho các nhu cầu sử dụng nhiệt của chu trình hoặc cá nhu cầu nhiệt khác. Đồng phát chu trình đỉnh được sử dụng rộng rãi và là phương pháp phổ biến nhất trong đồng phát.
Bảng 2. Bốn loại hệ thống đồng phát chu trình đỉnh(tranh lấy từ Sở Năng lượng, Úc)
2.4.2 Chu trình đáy
Ở chu trình đáy, nhiên liệu sơ cấp tạo ra nhiệt năng ở nhiệt độ cao và nhiệt thải từ quy trình được sử dụng để phát điện qua lò hơi thu hồi nhiệt và máy phát tua bin. Các chu trình đáy phù hợp với các quy trình sản xuất cần nhiệt ở nhiệt độ cao trong lò đốt và thải ra nhiệt ở nhiệt độ khá cao. Các phạm vi ứng dụng điển hình gồm có xi măng, thép, gas và hoá dầu.
Chu trình đáy không phổ biến bằng chu trình trên. Hình 9 mô tả chu trình đáy trong đó, nhiên liệu được đốt trong lò để tạo ra rutin tổng hợp. Khí thải từ lò được sử dụng trong lò hơi để tạo thành hơi, chạy tua bin để phát điện.
Hình 7. Hệ thống đồng phát chu trình đáy (Cục Sử dụng năng lượng hiệu quả, 2004)
Nguồn bài viết: Chương trình môi trường liên hợp quốc (năm 2006) UNEP -
Hướng dẫn Sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành công nghiệp Châu Á
0 comments: