Trong các nhà máy nhiệt điện, hơi nước có áp suất và nhiệt độ cao sau khi giãn nở sinh công tại tuabin thì đi vào bình ngưng. Hệ thống nước làm mát trong nhà máy nhiệt điện có nhiệm vụ chính là làm ngưng tụ hơi nước trong bình ngưng thành nước ngưng tại áp suất của bình ngưng (trong khi nhiệt độ của hơi không đổi). Ngoài ra, hệ thống nước làm mát còn cung cấp nước làm mát cho các thiết bị phụ trợ khác trong nhà máy. Hệ thống làm mát thải đi một lượng nhiệt ẩn của hơi nước, giúp ngưng tụ thành nước ngưng, nhiệt lượng này chiếm khoảng (50 ÷ 55) % so với lượng nhiệt mà hơi nước đã nhận được ở lò hơi. Dựa trên kinh nghiệm quốc tế, thực tiễn trong nước và kinh nghiệm tích hợp các hệ thống thiết bị đồng bộ của Lilama 18, Narime và các đơn vị khác, bài báo này đưa ra cách tiếp cận hệ thống nước làm mát cho các nhà máy nhiệt điện đốt than ở Việt Nam, giúp các nhà thiết kế, quản lý nắm bắt được các vấn đề cốt lõi khi tiến hành dự án.
1. HỆ THỐNG NƯỚC LÀM MÁT CHO CÁC NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN Ở VIỆT NAM
Hiện nay, hệ thống làm mát trong nhà máy nhiệt điện than chủ yếu sử dụng nước để làm mát theo hai công nghệ chính như sau:
a) Hệ thống nước làm mát trực lưu (once-through)
Hệ thống làm mát bình ngưng này được sử dụng rộng rãi trên thế giới từ những năm cuối của thế kỷ XIX. Theo đó nước làm mát được lấy từ sông, biển hoặc hồ rất lớn bơm qua bình ngưng và sau đó thải nước ấm trở lại nguồn ở vị trí hạ lưu hoặc cách xa điểm lấy nước nhằm đảm bảo khu vực lấy nước không bị ấm lên bởi nước sau làm mát thải ra. Ưu việt quan trọng nhất của hệ thống làm mát nói trên là tận dụng trực tiếp nguồn nước có nhiệt độ thấp của các sông, biển, hồ lớn… để nâng cao hiệu suất của tuabin hơi, đồng thời hệ thống làm mát kiểu này được sắp xếp đơn giản nên chi phí đầu tư và vận hành đều thấp.
Đặc biệt, hệ thống làm mát này ít ảnh hưởng đến môi trường nước mặt (biển, sông, hồ), nước ngầm và không khí, vì nước làm mát được bơm từ biển (sông, hồ) để làm ngưng tụ hơi nước của tuabin rồi sau đó lại trở về biển (sông, hồ).
Phần lớn hệ thống nước làm mát nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam là hệ thống làm mát trực lưu (Phả Lại, Uông Bí, Quảng Ninh, Cẩm Phả, Hải Phòng, Nhơn Trạch 1&2, Cà Mau 1&2, Mông Dương 1&2, Vũng Áng 1, Nghi Sơn 1,... và ở hàng loạt các dự án đang được xây dựng như Thái Bình 1, Vĩnh Tân, …).
Hình 1. Sơ đồ hệ thống nước làm mát trực lưu trong nhà máy nhiệt điện
Hệ thống nước làm mát trực lưu thường bao gồm các phần chính như sau: Cụm bơm nước chính và hệ thống phân phối; Cụm thiết bị nhận nước; Hệ thống khử trùng bằng khí Clo; Thiết bị nâng; Hệ thống điện, điều khiển.
b) Hệ thống nước làm mát tuần hoàn (recirculation)
Nước làm mát sau khi bơm qua bình ngưng sẽ trở thành nước ấm thì được dẫn đi giải nhiệt tại tháp làm mát. Trong tháp làm mát, nước ấm được phun mưa xuống ngược chiều với gió được quạt từ dưới thổi lên (nhưng thường người ta dùng quạt hút lắp ở đỉnh tháp để hút gió từ dưới lên chứ rất ít khi nhà máy nhiệt điện lại dùng loại quạt thổi, tức là loại quạt đẩy, để thổi từ dưới lên như trong tháp làm mát công nghiệp quy mô nhỏ hay dùng) nhằm làm mát nước. Nước mát sau đó được tái tuần hoàn (Recirculation) cho việc làm mát bình ngưng.
Hình 2. Sơ đồ hệ thống nước làm mát tuần hoàn trong nhà máy nhiệt điện
Ở những khu vực hiếm nước làm mát cho các nhà máy nhiệt điện, người ta phải thiết kế tháp làm mát bằng quạt, như ở các NMNĐ Na Dương, Cao Ngạn, Mạo Khê, Sơn Động.
Tới năm 2015, mặc dù ở Việt Nam đang có rất nhiều nhà máy nhiệt điện đang vận hành, nhưng chưa có hệ thống nước làm mát nhà máy nhiệt điện nào do các kỹ sư Việt Nam thiết kế, chế tạo: Phần thiết kế hoàn toàn được thực hiện bởi nhà thầu nước ngoài; Các thiết bị chính, các thiết bị cơ khí, điều khiển được nhập khẩu; Trong nước chỉ gia công tuyến ống bằng thép và lắp đặt thiết bị. Đặc biệt với các dự án do nhà thầu Trung Quốc thực hiện thì trong nước không được đảm nhận bất cứ công việc nào, tỷ lệ nội địa hóa là 0 %.
Do không làm chủ được thiết kế hệ thống nên các đơn vị trong nước gặp nhiều khó khăn trong khâu vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa. Hệ thống nước làm mát mặc dù có yêu cầu không quá cao về công nghệ, nhưng lại có yêu cầu đặc biệt cao về thiết bị, nhất là bơm nước tuần hoàn. Bất kỳ sự cố nào của bơm nước tuần hoàn xảy ra đều gây ảnh hưởng tới hiệu suất và vận hành nhà máy. Ngoài ra, các hạng mục thiết bị khác như hệ thống lọc rác, Clo khử khuẩn, hệ thống chống ăn mòn nếu không được tính toán và kiểm soát tốt đều có thể làm hỏng thiết bị.
Với mục tiêu từng bước làm chủ công nghệ, tiến tới nội địa hóa hoàn toàn các thiết bị trong nhà máy nhiệt điện đốt than, Tổng công ty lắp máy Việt Nam (trực tiếp là Công ty cổ phần Lilama 18), đã được Bộ Khoa học và Công nghệ và Bộ Công Thương giao chủ trì thực hiện đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, tổ hợp và đưa vào vận hành hệ thống nước làm mát cho nhà máy nhiệt điện đốt than có công suất tổ máy đến khoảng 600 MW”. Dưới sự chỉ đạo 2 Bộ, sự hỗ trợ của LILAMA và Viện Nghiên cứu Cơ khí, cùng với sự nỗ lực của các nhà khoa học, LILAMA 18 đã thiết kế, chế tạo, tổ hợp và đưa vào vận hành thành công hệ thống nước làm mát cho nhà máy nhiệt điện, khẳng định ý chí và sự sáng tạo của các kỹ sư, nhà khoa học Việt trong làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo các hệ thống thiết bị cho nhà máy nhiệt điện đốt than.
2. NỘI DUNG TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH HỆ THỐNG NƯỚC LÀM MÁT CHO NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
Mục tiêu
- Làm chủ từng phần thiết kế, chế tạo, lắp đặt và đưa vào vận hành thành công hệ thống nước làm mát tại nhà máy nhiệt điện đốt than có công suất tổ máy đến khoảng 600 MW.
- Ứng dụng kết quả của đề tài vào các dự án nhiệt điện Quảng Trạch 1, Sông Hậu 1 và Quỳnh Lập 1 và đảm bảo tỷ lệ nội địa hóa qui định tại Quyết định số 1791/QĐ-TTg ngày 29/11/2012 của Thủ tướng Chính phủ.
Cách tiếp cận
Mặc dù hệ thống nước làm mát cho nhà máy nhiệt điện đã được các nước trên thế giới nghiên cứu, ứng dụng từ rất lâu, nhưng ở Việt Nam cho tới nay vẫn chưa có đơn vị nào nghiên cứu, thiết kế chế tạo, tích hợp đồng bộ cả hệ thống nước làm mát. Để tính toán, thiết kế áp dụng được hệ thống nước làm mát thành sản phẩm thương mại, ngoài việc có kiến thức chuyên môn sâu, rộng, còn cần có đội ngũ cán bộ kỹ thuật đông đảo, giàu kinh nghiệm trong tích hợp thiết bị đồng bộ và nắm được các bí quyết nghề nghiệp.
Dựa trên kinh nghiệm quốc tế, thực tiễn trong nước và kinh nghiệm tích hợp các hệ thống thiết bị đồng bộ của LILAMA, LILAMA 18, NARIME và các đơn vị khác, nhóm đề tài đề xuất cách tiếp cận hệ thống nước làm mát cho các nhà máy nhiệt điện đốt than ở Việt Nam như¬ sau:
Bước 1: Nghiên cứu công nghệ hệ thống nước làm mát từ các tài liệu kinh điển, điều kiện làm việc của nhà máy nhiệt điện đốt than, trình độ gia công chế tạo ở Việt Nam.
Bước 2: Khảo sát, nghiên cứu hệ thống nước làm mát của nư¬ớc ngoài hiện đang được sử dụng tại nhà máy nhiệt điện Việt Nam (Phả Lại 2, Uông Bí mở rộng 1, Uông Bí mở rộng 2, Hải Phòng, Quảng Ninh, Vũng Áng 1...).
Thông qua khảo sát các hệ thống nước làm mát có tính năng tiên tiến đang sử dụng ở Việt Nam, nhóm đề tài kế thừa phát huy các kinh nghiệm đã có trong việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị cho các công trình có quy mô tương tự, đặc biệt là các kinh nghiệm nắm bắt được trong quá trình tham gia chế tạo và lắp đặt, khai thác sử dụng các thiết bị của hệ thống nước làm mát.
Bước 3: Thông qua bước 1 và 2 ở trên để từng bước làm quen, tiếp thu công nghệ, thiết bị và các nhà cung cấp thiết bị, phương pháp tổ chức thực hiện, các qui phạm và tiêu chuẩn áp dụng,....từ đó có cơ sở để lựa chọn công nghệ, đối tác cung cấp thiết bị chính của hệ thống nước làm mát.
Bước 4: Huy động các kỹ sư tham gia trực tiếp quá trình thiết kế cùng nhà thầu thiết kế nước ngoài cho dự án đầu tiên. Tiến hành thiết kế chi tiết, chế tạo, lắp đặt dưới sự hướng dẫn của chuyên gia nước ngoài. Từng bước giải mã được công tác tính toán, thiết kế; quản lý dự án; tiếp cận được các nhà thầu phụ cung cấp thiết bị cho hệ thống; tích lũy kinh nghiệm và bí quyết cho riêng mình.
Sử dụng thiết kế cơ sở của nước ngoài làm cơ sở thiết kế; khảo sát, học tập nước ngoài; sử dụng tư vấn & thẩm định của chuyên gia nước ngoài, chuyên gia trong nước trong việc thiết kế hệ thống, lựa chọn và thiết kế thiết bị có vai trò rất quan trọng, quyết định đến sự thành công của đề tài.
Để thực hiện được các bước 1÷4 cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các cơ sở nghiên cứu, các công ty cơ khí trong nước, các Viện và hãng chuyên ngành của nước ngoài. Đặc biệt, cần sự hỗ trợ về kinh phí của Nhà nước để mua bản quyền thiết kế, đào tạo nhân lực.
Bước 5: Trong dự án thứ hai, tự tính toán, thiết kế từng phần dưới sự thẩm định của chuyên gia nước ngoài, mua sắm thiết bị, tích hợp hệ thống, thử nghiệm và vận hành hệ thống với sự tư vấn của chuyên gia nước ngoài. Từ dự án thứ 3 sẽ tự tiến hành tính toán, thiết kế và tích hợp toàn bộ hệ thống. Từ dự án thứ 4 trở đi là quá trình tích lũy kinh nghiệm, bí quyết để tự thương mại hóa hệ thống nước làm mát của chính mình.
Phương án phối hợp nghiên cứu
Trong nước
- Phối hợp chặt chẽ với các đơn vị tư vấn, quản lý, dự án trong nước:
Viện năng lượng – Bộ công thương để khảo sát, đánh giá, phân tích hệ thống nước làm mát chung trong các dự án nhiệt điện than của Việt Nam;
Viện nghiên cứu cơ khí (Narime) – Bộ công thương để khảo sát, đánh giá, tư vấn thiết kế các thiết bị cơ khí và năng lực sản xuất cơ khí tại Việt Nam;
Viện khoa học và công nghệ nhiệt lạnh – Đại học bách khoa Hà Nội để lập thuyết minh đề tài; khảo sát; tính toán thiết kế; mô phỏng thiết bị; giám sát chất lượng khoa học của các báo cáo chuyên đề; đào tạo sau đại học; tổng hợp và biên soạn báo cáo tổng kết đề tài;
Viện khoa học năng lượng – Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam để khảo sát, thiết kế, tư vấn, giám sát quá trình thực hiện, đánh giá tác động môi trường của hệ thống nước làm mát nhà máy nhiệt điện than;
Tổng công ty Tư vấn thiết kế Dầu khí (PVE) để khảo sát, đánh giá hệ thống làm mát trong các dự án nhiệt điện do PVN làm chủ đầu tư;
Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) để khảo sát, đánh giá hệ thống nước làm mát trong các dự án nhiệt điện do EVN làm chủ đầu tư;
Các Công ty cổ phần tư vấn xây dựng Điện 1, 2 để nghiên cứu, tư vấn thiết kế các thiết bị cụm cửa nhận nước. Tận dụng các thiết kế thiết bị cửa nhận nước, vớt rác thô, lọc rác tinh của nhà máy thủy điện để ứng dụng vào cụm thiết bị nhận nước của đề tài này;
- Phối hợp chặt chẽ với các đơn vị thiết kế, chế tạo, lắp đặt thiết bị cơ khí để cùng nhau thiết kế, chế tạo thiết bị tùy theo thế mạnh, khả năng của từng đơn vị:
Viện Nghiên cứu Cơ khí (Narime) – Bộ công thương để nghiên cứu, thiết kế thiết bị;
Công ty cổ phần bơm Hải Dương, Công ty bơm Ebara Việt Nam để phối hợp, khảo sát, tìm hiểu chế tạo các bộ phận bơm;
Công ty cổ phần chế tạo thiết bị điện Đông Anh (EEMC) để thiết kế, chế tạo các thiết bị cơ khí;
Tổng công ty Máy và thiết bị công nghiệp (MIE) để thiết kế, chế tạo thiết bị;
Tổng công ty cổ phần Xây lắp Dầu khí (PVC) để xây dựng quy trình hướng dẫn lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng thiết bị và hệ thống;
Tổng công ty cổ phần Dịch vụ kỹ thuật Dầu khí Việt Nam (PTSC) để thiết kế, chế tạo thiết bị; xây dựng quy trình hướng dẫn lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng thiết bị và hệ thống;
Hợp tác quốc tế
Tại dự án Nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1, Lilama 18 đã liên danh (consortium) với đối tác nước ngoài là Torishima Hong Kong để thực hiện gói thầu EPC hệ thống nước làm mát. Trong đó Torishima HK đã đảm nhiệm toàn bộ phần tư vấn, thiết kế, cung cấp và hướng dẫn chạy thử, vận hành, bảo dưỡng. Lilama 18 đảm nhận lắp đặt toàn bộ hệ thống, gia công tuyến ống làm mát, cung cấp nhân lực và thiết bị phục vụ chạy thử. Tại dự án nhiệt điện Mông Dương 1, Lilama 18 là thầu phụ thi công lắp đặt hệ thống nước làm mát (Huyndai Engineering & Construction Co. Ltd. là tổng thầu EPC).
Tại Dự án Nhà máy nhiệt điện Sông Hậu 1, Lilama 18 hợp tác, tiếp thu/học tập từ Tư vấn thiết kế Envi Con để làm chủ các tính toán trọng yếu của hệ thống nước làm mát như sau:
- Thiết kế kỹ thuật - Sơ đồ công nghệ tổng thể hệ thống nước làm mát
- Thiết kế kỹ thuật - Tổng thể hệ thống nước làm mát
- Tính toán tuần hoàn nhiệt (heat recirculation study). Lựa chọn các giải pháp kỹ thuật đầu vào, đầu ra của hệ thống.
- Tính toán chiều cao cột áp thiết kế của bơm và tính toán tổn thất ma sát của hệ thống. Các chế độ làm việc của bơm.
- Tính toán phân tích động lực học chất lỏng (Computational Fluid Dynamics / CFD Analysis & Calculation) phía trước trạm bơm
- Tính toán phân tích động lực học chất lỏng (Computational Fluid Dynamics / CFD Analysis & Calculation;) từ sau Seal Pit
- Tính toán phân tích chất lỏng (Liquid Transient Analysis) từ Trạm bơm tới Seal Pit
Kết quả
LILAMA 18 đã hoàn thành và đưa vào vận hành hệ thống nước làm mát Nhà máy nhiệt điện Sông Hậu 1 vào tháng 6 năm 2020.
Hình 1. Thiết kế và mô phỏng ống xả ngầm sông
Hình 2. Hệ thống nước làm mát Nhà máy nhiệt điện Sông Hậu 1 do LILAMA 18 thiết kế, chế tạo, lắp đặt và đưa vào vận hành
Tổng khối lượng toàn bộ hệ thống nước làm mát chiếm khoảng 5.600 tấn bao gồm cả tuyến ống, trong đó trong nước thực hiện khoảng 92% về khối lượng và 51,6% về giá trị. LILAMA 18 đã đảm nhiệm một số phần công việc có yêu cầu kỹ thuật cao và giá trị kinh tế cao như hệ thống điện, điều khiển, hệ thống ống xả ngầm sông. Một số kết quả trong nước đã thực hiện được bao gồm:
- Van xả chính cỡ lớn: chế tạo nội địa các phần tấm đế, khung lưới bảo vệ - đạt 5% giá trị nội địa hóa, cao hơn tỷ lệ đã duyệt (nội địa hóa 0%).
- Cửa chặn nước (stop gates) và lưới chắn (bar screen): nội địa hóa 100% như được duyệt.
- Thiết bị vớt rác thô, vớt rác tinh: nội địa hóa đạt 5% gồm thùng chứa rác và dầm nâng - thấp hơn được duyệt (10% nội địa hóa), do phải nhập khẩu đồng bộ với thiết bị của Nhà sản xuất;
- Bình chứa Clo: nội địa hóa đạt 95% do chỉ mua van điều áp, cao hơn tỷ lệ được duyệt (90%);
- Gia công chế tạo cầu trục, ống, giá đỡ ống vé kết cấu: nội địa hóa đạt 100%;
- Tủ điện, cáp điện, cáp điều khiển các loại, máy biến áp, tủ điều khiển: chỉ đạt nội địa hóa 50% so với 100% được duyệt là do toàn bộ cáp điều khiển tại dự án nhà máy nhiệt điện Sông Hậu 1 phải nhập khẩu.
- Lilama 18 tự thực hiện công tác lắp đặt các thiết bị chính dưới sự giám sát và hướng dẫn của chuyên gia nước ngoài đối với các thiết bị lớn nhập khẩu.
3. KẾT LUẬN
Bài báo trình bày tình hình nghiên cứu và áp dụng hệ thống nước làm mát nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam, các quy hoạch phát triển các dự án nhiệt điện để từ đó kế hoạch cho các hoạt động liên quan đến công nghệ này, đồng thời cũng đưa ra các rào cản, khó khăn trong quá trình tiếp cận và tìm hiểu về chúng. Bài báo đã nêu lên những nội dung cần nghiên cứu tiếp theo sau đó triển khai vào thực tiễn các nhà máy trong thời gian tới.
Với kết quả đạt được ban đầu khoảng 51,6% thực hiện trong nước về giá trị đối với toàn bộ hệ thống nước làm mát dự án nhà máy nhiệt điện Sông Hậu 1, đây là kết quả ban đầu đạt được đã đáp ứng yêu cầu tại Quyết định 1791/QĐ-TTg. Tuy nhiên, còn rất nhiều công việc phải làm trong thời gian tới để có thể nội địa hóa hoàn toàn hệ thống nước làm mát như: làm chủ việc thiết kế hoàn toàn, trong nước đủ khả năng chế tạo bơm làm mát. Do vậy, nhóm đề tài kiến nghị tiếp tục được thực hiện giai đoạn 2 của Quyết định 1971 nhằm tiếp tục áp dụng kết quả nghiên cứu, từng bước làm chủ các phần công việc còn lại mà ở bước đầu tiên đang chưa đạt được.
Cơ chế khuyến khích nội địa hóa thiết bị trong các công trình cơ khí trọng điểm bằng cách đưa điều kiện bắt buộc nội địa hóa vào đấu thầu quốc tế, chia dự án thành các gói thầu nhỏ phù hợp với năng lực của các nhà thầu Việt Nam, chỉ định thầu nội địa để có cơ hội học hỏi kinh nghiệm và trưởng thành về quản lý dự án và tư vấn thiết kế chế tạo. Đối với một số dự án có thể quy định nếu doanh nghiệp nước ngoài tham gia đấu thầu thì phải liên danh với nhà thầu trong nước và nhà thầu trong nước là đơn vị đứng đầu liên danh.
LỜI CẢM ƠN
Nhóm tác giả chân thành cảm ơn sự hỗ trợ của Tổng công ty Lắp máy Việt Nam, Công ty Cổ phần Lilama 18, Viện Nghiên cứu Cơ khí và các đồng nghiệp trong quá trình nghiên cứu./.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Tài liệu hệ thống nước làm mát các nhà máy nhiệt điện trong nước (Vũng Áng 1, Phả Lại, Uông Bí, Na Dương, vv.
[2]. Quyết định số 1208/QĐ-TTg ngày 21/7/2011 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011- 2020 có xét đến năm 2030 (gọi tắt là Quy hoạch điện VII).
[3]. Quyết định số 1791/QĐ-TTg ngày 29/11/2012 của Thủ tướng Chính phủ về việc phê duyệt “Cơ chế thực hiện thí điểm thiết kế, chế tạo trong nước thiết bị các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2012-2025”.
[4]. Yêu cầu kỹ thuật hệ thống nước làm mát và báo cáo tác động môi trường của các nhà máy nhiệt điện: Sông Hậu 1, Uông Bí mở rộng 1, Uông Bí mở rộng 2, Phả Lại 2, Vũng Áng 1, Sông Hậu 1, Quảng Trạch 1, Thái bình 1, Thái bình 2,…
[5]. Tài liệu của các công ty nước ngoài chuyên về nhiệt điện, hệ thống nước làm mát: Torishima Hong Kong; Huyndai Engineering & Construction Co. Ltd; Ebara (Nhật), Hitachi (Nhật), Toshiba (Nhật), IL SHIN (Hàn Quốc), Beaudrey (Pháp), Okamura (Nhật), De Nora (Mỹ), Grundfos (Đức), Bilfinger (Đức).
Hồ Văn Toàn1, Đỗ Minh Trí1, Nguyễn Thanh Hoài1, Đinh Viết Hải2
1Công ty cổ phần Lilama 18 (Lilama 18), 2Viện Nghiên cứu Cơ khí (Narime)
(Nguồn: Tạp chí Khoa học và Công nghệ số 46, tháng 10/2021)
