Chu trình nước trong nhà máy điện: Nguyên lý và các thông số quan trọng

Trong các nhà máy điện nhiệt, nước giữ vai trò then chốt trong việc truyền tải nhiệt và chuyển hóa năng lượng nhiệt thành điện năng. Toàn bộ hệ thống dựa trên một chu trình khép kín – chủ yếu là chu trình Rankine – trong đó:

• Nước cấp được xử lý qua nhiều giai đoạn (khử khoáng, lọc, khử khí) nhằm loại bỏ các tạp chất gây ăn mòn và cặn bám.
• Hơi nước áp suất cao được tạo ra trong lò hơi sau đó cung cấp năng lượng quay tua-bin, biến đổi năng lượng nhiệt thành cơ năng và cuối cùng thành điện năng.
• Nước ngưng tụ sau khi đi qua tua-bin được làm lạnh và tái sử dụng trong lò hơi, giúp giảm tiêu hao nước và tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt.

Chu trình này không chỉ bao gồm chu trình Rankine chính mà còn có các quá trình phụ trợ như làm mát, bổ sung nước và xử lý nước thải, tất cả nhằm đảm bảo hệ thống vận hành ổn định và bền vững.

Nguyên lý hoạt động của chu trình nước trong nhà máy điện

Chu trình nước trong nhà máy điện có thể được chia thành các giai đoạn cơ bản sau:

• Xử lý nước cấp: Nước thô từ nguồn (sông, hồ, giếng) được xử lý qua các công đoạn lọc, trao đổi ion, thẩm thấu ngược và khử khí để loại bỏ các tạp chất, khoáng chất gây ăn mòn và cặn bám. Quá trình này nhằm đảm bảo rằng nước đưa vào hệ thống đạt tiêu chuẩn về mặt hóa học và vật lý, từ đó giảm nguy cơ hình thành cáu cặn và ăn mòn thiết bị.
• Gia nhiệt và khử khí: Sau khi xử lý, nước được đưa qua hệ thống gia nhiệt và thiết bị khử khí (de-aerator) để loại bỏ các khí hòa tan như O₂ và CO₂. Việc khử khí giúp giảm nguy cơ ăn mòn khi nước được đun sôi trong lò hơi, đồng thời nâng nhiệt độ ban đầu của nước, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình sinh hơi.
• Quá trình sinh hơi: Nước đã được gia nhiệt chuyển vào lò hơi, nơi nó được đun sôi thành hơi nước bão hòa. Sau đó, quá trình siêu nhiệt (superheating) được thực hiện để tạo ra hơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt độ cao, phù hợp cho việc truyền năng lượng sang tua-bin.
• Chuyển hóa năng lượng qua tua-bin và máy phát điện: Hơi quá nhiệt được phun qua các cánh tua-bin (chia theo các cấp áp suất cao, trung và thấp) để quay trục, tạo ra chuyển động cơ học. Chuyển động này được chuyển hóa thành điện năng qua máy phát điện dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ.
• Quá trình ngưng tụ: Sau khi thực hiện công việc quay tua-bin, hơi nước kiệt được đưa vào bộ ngưng tụ. Tại đây, nhờ sự tiếp xúc với bề mặt làm mát (thường là qua các ống chứa nước mát từ tháp giải nhiệt hoặc nguồn nước tự nhiên), hơi nước được làm lạnh và ngưng tụ thành nước lỏng. Nước này sau đó được bơm trở lại lò hơi, khép kín chu trình.

Các thành phần và thông số kỹ thuật cần giám sát

Xử lý nước cấp (Demineralization Plant & Water Supply)

• Mục tiêu: Loại bỏ các tạp chất, khoáng chất (canxi, magie, natri, silica) và các chất hữu cơ có hại.
• Công nghệ chính:
  • Lọc đa tầng: Loại bỏ cặn bẩn và tạp chất lơ lửng.
  • Trao đổi ion: Giảm độ cứng và loại bỏ các ion không mong muốn.
  • Thẩm thấu ngược (RO): Loại bỏ muối hòa tan.
  • Khử khí (Deaeration): Loại bỏ CO₂ và O₂ hòa tan nhằm hạn chế ăn mòn.
• Thông số giám sát: Ca, ORP, Turb, TOC, Na, SiO₂, Cl, pH, NH₃.

Hệ thống làm mát & nước bổ sung (Cooling Tower & Make-up Water)

• Vai trò: Bù đắp lượng nước bị mất do bay hơi và giảm nhiệt thông qua tháp giải nhiệt.
• Quá trình:
  • Tháp giải nhiệt: Nước được làm mát qua quá trình bay hơi.
  • Vấn đề cần kiểm soát:
    • Drift Loss: Mất nước do các giọt nhỏ bị cuốn theo dòng khí.
    • Phát triển vi sinh vật: Điều kiện ẩm ướt có thể tạo môi trường sinh trưởng cho vi khuẩn (như Legionella), tảo, nấm.
• Thông số cần đo: TOC, Cu.

Hệ thống ngưng tụ (Condenser & Condensate Pump)

• Quá trình:
  • Hơi nước sau tua-bin được làm lạnh và chuyển thành nước lỏng qua các bề mặt làm mát.
  • Nguồn làm mát: Có thể lấy từ tháp giải nhiệt hoặc nguồn nước tự nhiên (sông, hồ, biển).
• Thiết bị chính:
  • Bơm ngưng tụ: Bơm nước ngưng trở lại lò hơi.
• Thông số cần theo dõi: Conductivity (Cond), Na, DO, ORP.

Hệ thống gia nhiệt & bơm cấp (De-aerator, Heaters, Feed Pump)

• Mục tiêu: Chuẩn bị nước cấp đạt tiêu chuẩn nhiệt và hóa học trước khi vào lò hơi.
• Thiết bị:
  • De-aerator: Khử khí (O₂, CO₂) qua gia nhiệt và giảm áp suất, giúp giảm nguy cơ ăn mòn.
  • Heaters: Sử dụng hơi trích từ tua-bin để gia nhiệt sơ bộ cho nước cấp.
  • Feed Pump: Bơm nước đã xử lý với áp suất cao vào lò hơi.
• Thông số giám sát: PO₄, NH₃, pH, Fe, Cu, DO, ORP, Cond, SiO₂.

Lò hơi và quá trình sinh hơi (Boiler, Economizer, Super Heaters)

• Vai trò: Chuyển đổi nước cấp thành hơi nước áp suất cao phục vụ tua-bin.
• Các giai đoạn chính:
  • Economizer: Gia nhiệt sơ bộ nước cấp bằng nhiệt từ khí thải lò hơi.
  • Boiler Drum hoặc Evaporator: Đun sôi nước chuyển thành hơi bão hòa.
  • Super Heaters: Làm nóng thêm hơi bão hòa thành hơi quá nhiệt với nhiệt độ và áp suất cao.
• Vấn đề cần kiểm soát:
  • Cáu cặn: Do silica và muối khoáng kết tủa khi nồng độ vượt mức hòa tan.
  • Ăn mòn: Do oxy hòa tan và pH không ổn định.
  • Carryover: Hiện tượng bọt khí, tạp chất bị cuốn theo hơi khi sinh hơi quá mạnh.
• Thông số giám sát: SiO₂, Na, Cond, Cu.

=> Quan trắc lò đốt trong nghành công nghiệp

Hệ thống tuabin & phát điện (Turbines & Generator)

• Quá trình chuyển hóa năng lượng:
  • Hơi quá nhiệt được phun qua các cánh tua-bin (chia theo các cấp áp suất khác nhau) để tạo ra chuyển động quay.
  • Máy phát điện chuyển đổi chuyển động quay thành điện năng qua cơ chế cảm ứng điện từ.
• Quá trình sau tua-bin: Hơi nước sau khi làm việc được đưa về bộ ngưng tụ để tái sử dụng.
• Thông số cần theo dõi: DO, Na, TOC.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chu trình Rankine

• Áp suất và nhiệt độ của hơi: Hiệu suất của chu trình Rankine tăng khi áp suất và nhiệt độ của hơi càng cao; tuy nhiên, cần cân nhắc giới hạn vật liệu và an toàn vận hành.
• Chất lượng nước: Nước chứa tạp chất, silica và kim loại gây ăn mòn sẽ làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt và gây hình thành cáu cặn.
• Tổn thất nhiệt: Mất mát nhiệt tại các bộ phận như lò hơi, bộ gia nhiệt, và tháp giải nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả tổng thể.
• Hiệu suất trao đổi nhiệt: Thiết kế và công nghệ của bộ ngưng tụ, tháp giải nhiệt và bộ gia nhiệt quyết định khả năng chuyển tải nhiệt hiệu quả.
• Chế độ vận hành và bảo trì: Việc điều chỉnh tải hợp lý, duy trì lịch trình bảo trì định kỳ và ứng dụng hệ thống điều khiển tự động giúp duy trì hiệu suất cao nhất cho toàn bộ hệ thống.

Chu trình nước trong nhà máy điện, đặc biệt là chu trình Rankine, là một hệ thống phức tạp đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ từ khâu xử lý nước cấp, gia nhiệt, sinh hơi, quay tua-bin cho đến quá trình ngưng tụ và tái sử dụng. Việc theo dõi các thông số quan trọng như độ dẫn điện, pH, oxy hòa tan, silica và nồng độ các kim loại không chỉ hạn chế hiện tượng cáu cặn, ăn mòn mà còn góp phần tối ưu hóa hiệu suất sản xuất điện. Sự kết hợp giữa công nghệ xử lý nước tiên tiến, hệ thống điều khiển tự động và quy trình bảo trì định kỳ chính là chìa khóa giúp các nhà máy điện hoạt động ổn định, bền vững và hiệu quả về mặt kinh tế.