1. Dẫn nhập

1.1 Bối cảnh và ý nghĩa nghiên cứu

Tổ máy của một nhà máy nhiệt điện than tại Việt Nam sử dụng lò hơi trực lưu than phun siêu tới hạn với thiết kế tái nhiệt một lần, buồng đốt đơn, bố trí đốt đối xung ở tường trước và tường sau, và kết cấu ống khói kép ở phía sau. Than thiết kế sử dụng là than á bitum Indonesia, sử dụng 6 máy nghiền than trung tốc kiểu phun trực tiếp (vận hành 5 máy ở chế độ BMCR, 1 máy dự phòng). Tổ máy này có bố trí dạng Π (Pi) điển hình, kết cấu thép, kiểu treo, thông gió cân bằng, sử dụng van điều tiết để điều chỉnh nhiệt độ hơi tái nhiệt, xỉ thải dạng rắn, các vòi đốt tầng bố trí tại tường trước và sau, tổng cộng 36 vòi đốt xoáy hàm lượng Nox sinh ra thấp, được trang bị thêm các vòi gió để giúp cháy kiệt.

Tuy nhiên, trong quá trình vận hành dài hạn, hệ thống đã bộc lộ một số vấn đề kỹ thuật then chốt ảnh hưởng đến hiệu quả tổng thể. Trước hết, hệ thống nghiền than với lưu lượng tối đa của một máy nghiền chỉ đạt 54~55 tấn/giờ, tổng lượng than khi chạy 5 máy chỉ đạt 270 tấn/giờ, điều này hạn chế nghiêm trọng việc tăng tải tổ máy, khiến phụ tải khó vượt quá 610 MW, không chỉ gây tổn thất điện năng, mà còn làm giảm số giờ khả dụng, tăng tiêu hao than, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả kinh tế của nhà máy. Bên cạnh đó, hiệu suất cháy thấp do mất cân bằng cấp gió, làm trầm trọng thêm hiện tượng cháy không hoàn toàn, hàm lượng carbon chưa cháy trong tro bay cao (>5%), nhiệt độ đầu ra buồng lửa cũng cao (1200~1300℃), làm giảm hiệu suất đốt và tăng rủi ro vận hành hệ thống. Nhiệt độ khói thải của hai lò hơi cao hơn giá trị thiết kế 10~20℃, đặc biệt tại đầu vào bộ sấy không khí lên tới 416℃ ở điều kiện đầy tải làm tăng tiêu thụ điện của quạt hút và nguy cơ ăn mòn thiết bị trao đổi nhiệt. Cuối cùng, một số vùng cháy thiếu oxy, áp suất gió thứ cấp dao động mạnh (-500~+800 Pa), gây mất ổn định buồng đốt, phân bố nhiệt độ không đồng đều, không có lợi cho vận hành ổn định, an toàn của tổ máy.

Nếu các vấn đề trên không được giải quyết hiệu quả, sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả kinh tế, chỉ tiêu môi trường, và vận hành tin cậy của toàn nhà máy. Do đó, nghiên cứu tối ưu hóa chế độ cháy cho tổ máy này không chỉ là nhu cầu cấp bách hiện nay, mà còn có giá trị tham khảo quan trọng đối với các nhà máy điện tương tự ở Việt Nam và khu vực Đông Nam Á.

1.2 Công nghệ và giải pháp tối ưu quá trình đốt tại các nước phát triển

Trong lĩnh vực tối ưu hóa quá trình cháy của lò hơi siêu tới hạn, một số nước đã bắt đầu nghiên cứu từ sớm và xây dựng được hệ thống nghiên cứu tương đối hoàn chỉnh, tập trung chủ yếu vào khả năng thích ứng nhiên liệu, tối ưu phân phối gió và chiến lược điều khiển thông minh. Các quốc gia như châu Âu, Mỹ, Nhật Bản dựa trên tư duy thiết kế tiên tiến và kinh nghiệm vận hành lâu dài đã đề xuất nhiều phương án nâng cao hiệu suất đốt cháy, từ đó hình thành nền tảng kỹ thuật và thực tiễn có tính hệ thống.

Về khả năng thích ứng nhiên liệu, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc  đốt trộn nhiên liệu để lò hơi thích nghi với các loại than khác nhau. Ví dụ, một số nhà máy điện sử dụng chiến lược đốt phân tầng với than bitum có độ bay hơi cao kết hợp với than á bitum có chất bốc thấp nhằm cải thiện độ ổn định mồi cháy và mức độ cháy kiệt của than, từ đó làm giảm khó khăn trong quá trình cháy. Phương pháp tối ưu hóa chất lượng than này không những nâng cao tốc độ phản ứng trong buồng đốt mà còn giúp giảm đáng kể hàm lượng carbon trong tro bay và lượng phát thải carbon.

Về công nghệ phân phối gió, các nhà máy điện ở nước ngoài phổ biến áp dụng phương pháp phân phối gió phân cấp kết hợp với đầu đốt NOₓ thấp để tối ưu hóa trường nhiệt độ trong lò. Trong đó, công nghệ phân phối gió kiểu “thắt eo” (waist-shaped air distribution) được sử dụng rộng rãi, bằng cách điều khiển mức mở của gió cháy kiệt ở các tầng khác nhau nhằm thu hẹp tâm ngọn lửa xuống dưới, làm giảm nhiệt độ đỉnh trong buồng lửa và ức chế sự hình thành NOₓ do nhiệt. Chiến lược này đã được xác nhận hiệu quả tại nhiều nhà máy nhiệt điện lớn ở châu Âu và Mỹ, không những cải thiện phân bố nhiệt trong buồng đốt mà còn đạt được hiệu quả tốt trong tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải.

Ngoài ra, các nghiên cứu nước ngoài đặc biệt chú trọng phát triển và ứng dụng hệ thống điều khiển quá trình cháy thông minh. Hệ thống điều khiển quá trình cháy theo sự biến động tải của lò hơi có thể tự động điều chỉnh công suất máy nghiền than, thông số tỉ lệ gió-than và phương thức phân phối gió, bảo đảm quá trình cháy luôn hoạt động trong vùng hiệu suất cao và phát thải thấp. Hệ thống này thường dựa trên nền tảng DCS, công nghệ đo mềm và thuật toán điều khiển dự đoán mô hình (MPC), cho phép cảm biến trạng thái vận hành và điều khiển trả về tín theo thời gian thực, từ đó nâng cao tính ổn định và hiệu quả kinh tế của hệ thống.

Tóm lại, các nước phát triển đã tích lũy được lý luận phong phú và kinh nghiệm thực tiễn về công nghệ điều khiển tối ưu hóa quá trình cháy, với tư tưởng cốt lõi là “thích ứng nhiên liệu – tối ưu phân phối gió – điều khiển thông minh” làm tuyến kỹ thuật chính. Những kinh nghiệm này có giá trị tham khảo quan trọng đối với các nhà máy nhiệt điện đốt than tại Việt Nam và các quốc gia đang phát triển.

1.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu này là giải quyết một cách có hệ thống các vấn đề điển hình trong quá trình vận hành lò hơi siêu tới hạn tại nhà máy đốt than ở Việt Nam, đặc biệt là các điểm nghẽn then chốt như công suất hệ thống nghiền than không đạt yêu cầu, hiệu suất cháy thấp và nhiệt độ khí thải vượt mức cho phép. Thông qua việc phân tích chuyên sâu các yếu tố liên quan như kết cấu lò hơi, khả năng thích nghi với chất lượng than, điều kiện vận hành và logic điều chỉnh, đề xuất phương án tối ưu hóa quá trình đốt phù hợp với điều kiện vận hành thực tế của nhà máy, nhằm nâng cao hiệu suất tổng thể của lò hơi, giảm tiêu hao than, cải thiện các chỉ tiêu môi trường, đạt được mục tiêu kép về tiết kiệm năng lượng và vận hành kinh tế.

Nội dung nghiên cứu chủ yếu bao gồm các khía cạnh sau: Trước tiên, thông qua việc trích xuất dữ liệu vận hành và chẩn đoán hệ thống, xác định nguyên nhân gốc rễ gây hạn chế cho hệ thống nghiền than, kết hợp với đặc tính nhiên liệu để phân tích cơ chế ảnh hưởng. Thứ hai, tập trung vào chiến lược phối trộn nhiên liệu, phương pháp phân phối gió cho các vòi đốt và điều chỉnh kết cấu đường gió, thiết kế phương án điều khiển tối ưu có tính mục tiêu rõ ràng, đặc biệt chú trọng đến tính phối hợp giữa logic vận hành của máy nghiền và điều chỉnh tỷ lệ gió - than. Thứ ba, thực hiện thử nghiệm kỹ thuật tại hiện trường, tập trung xác minh tính khả thi và độ ổn định khi vận hành đầy tải đồng thời năm máy nghiền ở chế độ đầy tải, kết hợp điều chỉnh áp suất gió thứ cấp và damper cháy kiệt, đảm bảo nhiệt độ khí thải ổn định dưới 400℃. Cuối cùng, thông qua phân tích so sánh sự thay đổi của các chỉ tiêu vận hành, đánh giá định lượng hiệu quả kinh tế và môi trường mà các biện pháp tối ưu mang lại, đồng thời tìm kiếm con đường ứng dụng mở rộng các kết quả này cho các nhà máy nhiệt điện than cùng loại khác tại Việt Nam.

Nghiên cứu này hướng tới xây dựng một giải pháp tối ưu hóa quá trình đốt cho các nhà máy điện, với đặc điểm nội bật là tính ứng dụng cao, chi phí triển khai hợp lý và hiệu quả rõ rệt, đồng thời giải pháp này cũng đóng vai trò như một mô hình thực tiễn có thể áp dụng rộng rãi cho mục tiêu tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải carbon của các tổ máy nhiệt điện than cùng loại tại Việt Nam.

2. Cơ sở lý thuyết của hệ thống đốt lò hơi siêu tới hạn trực lưu

2.1 Nguyên lý làm việc của lò hơi siêu tới hạn trực lưu

Lò hơi siêu tới hạn trực lưu là loại không có bao hơi, môi chất thực hiện toàn bộ quá trình gia nhiệt, bay hơi và quá nhiệt một lần, đặc trưng bởi cấu trúc “một lần – điều áp – truyền nhiệt cao”. Dưới thông số siêu tới hạn (≥22,1 MPa), không còn quá trình chuyển pha rõ rệt, trao đổi nhiệt nhạy cảm với biến thiên nhiệt độ – áp suất.

Lò được nghiên cứu có dạng hình Π, kết cấu treo, sử dụng tường màng hàn, đốt đối xung với 36 vòi đốt xoáy NOₓ thấp bố trí ba tầng, kết hợp đốt phân tầng và ít oxy. Khí thải đi qua các bề mặt chịu nhiệt theo trình tự: tấm quá nhiệt à bộ quá nhiệt cao à bộ tái nhiệt cao àbộ quá nhiệt thấp à bộ tái nhiệt thấp à bộ hâm nước à bộ sấy không khí

Vận hành lò siêu tới hạn đặt ra yêu cầu nghiêm ngặt về hệ thống đốt: thời gian cháy ngắn, nếu phân phối gió không hợp lý dễ gây nhiệt cục bộ, quá nhiệt tường lò, đóng xỉ. Do đó, thiết kế cấp gió và chiến lược điều chỉnh tối ưu là yếu tố quyết định đến tính an toàn và hiệu quả vận hành.

2.2 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất cháy

Hiệu suất cháy là một chỉ tiêu cốt lõi phản ánh hiệu năng vận hành của lò hơi, chịu ảnh hưởng tổng hợp từ các yếu tố như đặc tính nhiên liệu, phương án phân phối gió và hiệu suất của các thiết bị hỗ trợ. Tại nhiều nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam, nhiên liệu chính là than á bitum nhập khẩu từ Indonesia, vốn có đặc điểm hàm lượng chất bốc thấp (Vdaf ≈ 35%), hàm lượng tro cao (Aad ≈ 28%), điểm cháy cao và thời gian cháy kéo dài. Những đặc tính này làm giảm tính ổn định trong quá trình cháy và làm tăng hàm lượng carbon không cháy trong tro bay. Do đó, việc phối trộn hợp lý với than bitum – loại có giá trị nhiệt cao và đặc tính bắt cháy tốt hơn – được xem là một giải pháp hiệu quả nhằm nâng cao hiệu suất cháy và ổn định ngọn lửa trong buồng đốt.

Tính hợp lý trong phân phối gió là một khâu then chốt khác. Nếu lượng gió cấp một quá lớn trong vận hành sẽ gây chậm đánh lửa, hình thành hiện tượng cháy trễ; nếu tỷ lệ giữa gió sơ cấp và thứ cấp không hợp lý sẽ làm tăng nguy cơ cháy thiếu oxy cục bộ hoặc cháy thừa oxy cục bộ làm giảm tỷ lệ cháy kiệt mà còn tăng nguy cơ phát thải NOₓ gây bất lợi cho kiểm soát môi trường. Đặc biệt, trong lò hơi siêu tới hạn, yêu cầu điều khiển phân phố gió ảnh hưởng trực tiếp đến phân bố trường nhiệt độ trong buồng lò và hiệu suất truyền nhiệt trong buồng đốt. Vì vậy, cần tối ưu hóa động lực lượng gió cấp, kết cấu đường gió và áp suất buồng gió trong điều kiện thay đổi tải, nhằm tạo điều kiện cháy ổn định và hiệu quả.

Ngoài ra, hiệu suất của máy nghiền than cũng ảnh hưởng trực tiếp đến tính tương thích giữa hệ thống nghiền và hệ thống đốt. Áp suất tại bộ phân ly, tốc độ gió trong ống dẫn than và nhiệt độ gió sơ cấp là các thông số quyết định độ mịn và độ ổn định vận chuyển than. Nếu phân bố than không đều hoặc hạt quá to, sẽ dẫn đến hiện tượng cháy không đồng đều, tích tụ cục bộ, thậm chí gây cháy nổ và hình thành vùng quá nhiệt trong buồng đốt, là nguy cơ mất an toàn nghiêm trọng đến an toàn và hiệu quả vận hành. Vì vậy, nâng cao năng suất máy nghiền và tối ưu hóa trạng thái phân phối giữa gió và than là nền tảng của việc cải thiện hệ thống đốt lò hơi.

3. Chẩn đoán hiện trạng hệ thống đốt của nhà máy nhiệt điện than tại Việt Nam

3.1 Khái quát cơ bản về nhà máy điện

Nhà máy được nghiên cứu là nhà máy nhiệt điện than quy mô lớn tại Việt Nam với công suất 2×660MW, trang bị hai lò hơi siêu tới hạn trực lưu do Trung Quốc chế tạo, thiết kế tái nhiệt một lần, thông số hơi chính 25.4MPa/571℃, bố trí cấu trúc Π, kết cấu treo, lắp đặt ngoài trời và tích hợp hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi tái nhiệt bằng damper. Buồng đốt đơn sử dụng phương pháp đốt đối xung giữa hai tường lò, cấu tạo bởi tường nước màng ống xoắn và các ống thẳng đứng phía trên, kết hợp với các dàn quá nhiệt. Đường khói thiết kế hai ống đuôi, bố trí lần lượt các bề mặt trao đổi nhiệt: quá nhiệt cao/thấp, tái nhiệt cao/thấp, hâm nước, và có van điều chỉnh khí thải ở ống khói đứng để tối ưu hóa hiệu suất nhiệt. Lò sử dụng hệ thống thải xỉ khô làm mát bằng gió, vận hành liên tục. Hệ thống đốt dùng than á bitum Indonesia, cấu hình 6 máy nghiền trung tốc trực thổi (5 vận hành, 1 dự phòng), độ mịn thiết kế R90 = 32, hệ số đồng đều 1.1. Buồng đốt lắp 36 vòi đốt NOₓ thấp bố trí ba tầng, kèm hai tầng vòi gió cháy kiệt tăng cường hiệu quả cháy. Hệ thống gió gồm quạt sơ cấp, quạt chính và các kênh phân tầng, đảm bảo cấp gió linh hoạt.

Tổng thể, lò hơi có thiết kế hiện đại, hệ thống đồng bộ, tiềm năng đốt tốt và thuận lợi cho cải tiến kỹ thuật. Tuy nhiên, quá trình vận hành dài hạn đã bộc lộ các vấn đề hệ thống ở khâu nghiền và đốt, cần được chẩn đoán và tối ưu hóa chuyên sâu.

3.2 Chẩn đoán các vấn đề hiện hữu

Mặc dù kết cấu và cấu hình tổng thể của lò hơi tại nhà máy điện này tương đối tiên tiến, nhưng trong thực tế vận hành, hệ thống nghiền than và đốt cháy vẫn tồn tại những điểm nghẽn hiệu suất khá nổi bật, đã gây ra các vấn đề như giới hạn tải, giảm hiệu suất nhiệt và gia tăng nguy cơ phát thải trong nhiều giai đoạn vận hành.

Trước hết, hệ thống nghiền than bị giới hạn nghiêm trọng về công suất. Trong điều kiện chất lượng than kém và nhiệt trị thấp, công suất tối đa của mỗi máy nghiền chỉ đạt khoảng 54～55 tấn/giờ, khi vận hành đồng thời 5 máy nghiền, tổng lượng than chỉ đạt khoảng 270 tấn/giờ, khó đáp ứng được yêu cầu tải của tổ máy siêu tới hạn 660MW. Vấn đề này khiến tải thực tế của tổ máy chỉ duy trì trong khoảng 580MW～610MW. Khi một máy nghiền gặp sự cố, tổ máy suy giảm công suất nghiêm trọng, kéo theo tổn thất sản lượng điện và giảm số giờ khả dụng, ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế và tỷ lệ hoàn thành kế hoạch năm.

Thứ hai, hiệu suất cháy thấp. Dữ liệu thử nghiệm tại hiện trường cho thấy hàm lượng carbon trong tro bay thường cao hơn 5%, phản ánh hiện tượng cháy không triệt để của than trong buồng đốt. Phân bố nhiệt độ ngọn lửa khu vực vòi đốt không đồng đều, nhiệt độ tại cửa ra buồng đốt lên tới 1200～1300℃, không chỉ làm giảm hiệu suất nhiệt của lò hơi mà còn có thể làm tăng nguy cơ ăn mòn và tạo xỉ ở các bề mặt chịu nhiệt. Đồng thời, lượng gió sơ cấp thường vượt mức thiết kế, không đồng bộ với lượng than cấp, làm lệch tỉ lệ gió – than, gây mất cân bằng áp suất buồng gió và ảnh hưởng đến sự ổn định cháy.

Thứ ba, vấn đề nhiệt độ khói thải cao. Theo số liệu vận hành, nhiệt độ khói thải ở cả hai lò hơi khi vận hành đầy tải đều vượt quá giá trị thiết kế, lần lượt đạt 406℃ và 416℃, vượt giới hạn an toàn thiết kế từ 10～20℃. Đặc biệt ở lò số 1, nhiệt độ khói tại cửa vào bộ sấy không khí luôn duy trì ở mức cao, dẫn đến sự chênh lệch nhiệt lớn, làm tăng nguy cơ tích bụi, ăn mòn bề mặt chịu nhiệt phía đuôi lò, khiến bộ thổi muội hoạt động thường xuyên, làm tăng rủi ro bảo trì.

Cuối cùng, khả năng phản ứng động trong điều chỉnh đốt cháy còn yếu, vận hành không ổn định. Trong quá trình tăng giảm tải, áp suất buồng gió thứ cấp dao động mạnh, thường nằm trong khoảng từ -500 đến +800Pa, ảnh hưởng đến cân bằng gió cấp cho các tầng vòi đốt và hình thái ngọn lửa, xuất hiện vùng cháy thiếu oxy cục bộ, dẫn đến lệch cháy trong buồng đốt và tăng phát thải ô nhiễm. Đồng thời, việc điều chỉnh độ trễ mở luồng gió cháy hết khiến quá trình cháy thứ cấp không ổn định và không cháy hết.

Tóm lại, hệ thống nghiền và đốt cháy của nhà máy điện hiện nay đều tồn tại những thiếu sót mang tính then chốt về mặt kết cấu và điều khiển, cần được cải thiện thông qua các biện pháp tối ưu hóa trên cơ sở chẩn đoán hệ thống để đạt được mục tiêu vận hành an toàn, hiệu quả và thân thiện với môi trường.

4. Thiết kế phương án kỹ thuật tối ưu hóa quá trình đốt

4.1 Định hướng kỹ thuật tổng thể

Để giải quyết các vấn đề cốt lõi như công suất hệ thống nghiền than bị hạn chế, hiệu suất đốt thấp và nhiệt độ khí thải cao, nghiên cứu này đề xuất một lộ trình kỹ thuật tổng thể cho việc tối ưu hóa quá trình đốt với ba trọng tâm chính: “tối ưu phối trộn than – tái cấu trúc cấp gió – điều chỉnh theo thời gian thực”. Lộ trình này nhấn mạnh sự phối hợp đồng bộ toàn diện từ khâu lựa chọn nhiên liệu, cải tiến cấu trúc cấp gió, cho đến tối ưu hóa chiến lược vận hành, nhằm cải thiện toàn diện hiệu suất đốt qua các khâu nghiền than – đốt – thải khí.

Trước tiên, về khâu lựa chọn nhiên liệu, nghiên cứu đề xuất chiến lược đốt phân tầng giữa than bitum và than á bitum nhằm nâng cao khả năng thích ứng của lò hơi với than á bitum có hàm lượng bốc thấp. Cụ thể: với điều kiện tổng nhiệt trị không thấp hơn 4800 kcal/kg, than bitum sẽ được bố trí tại các tầng đầu đốt trung và thấp, tương ứng với các máy nghiền ở tầng dưới, nhằm đảm bảo khả năng mồi lửa nhanh và ổn định; còn than á bitum được bố trí tại vùng đầu đốt tầng trên để kéo dài thời gian lưu lại trong vùng nhiệt độ cao, giúp tăng khả năng cháy kiệt.

Tiếp theo, về hệ thống đầu đốt, thực hiện cải tạo cấu trúc cấp gió dạng tháp. Dựa theo tầng bố trí máy nghiền, điều chỉnh tỷ lệ công suất giữa các tầng, nâng tỷ lệ công suất tầng dưới lên 30%–40%, giảm dần các tầng trên, nhằm đạt được hiệu quả làm tâm ngọn lửa hạ thấp, trường nhiệt độ cân bằng và điểm bắt cháy được đẩy lên sớm. Đồng thời, trong hệ thống gió thứ cấp, áp dụng phương án cấp gió dạng “thắt eo”, thông qua việc tối ưu độ mở luồng gió cháy kiệt, nhằm tăng tính bao quanh ngọn lửa và độ ổn định phản ứng trong buồng đốt.

Cuối cùng, trong điều khiển vận hành, xây dựng cơ chế điều chỉnh hoạt, phối hợp chính xác giữa vận hành máy nghiền, hệ thống cấp gió và thay đổi tải. Trong vận hành, thực hiện điều chỉnh động độ mở cánh hướng quạt gió (giới hạn tối đa 80%) tùy theo tăng giảm phụ tải, đồng thời giám sát nồng độ oxy và nhiệt độ khói thải, áp dụng chiến lược điều chỉnh gió cháy kiệt phản hồi về, nhằm đảm bảo quá trình cháy hoàn toàn và kiểm soát phát thải ô nhiễm.

Tóm lại, lộ trình kỹ thuật này thể hiện hai hướng tối ưu đồng thời “cải tiến cấu trúc + chiến lược điều chỉnh”, nhằm phát huy tối đa tiềm năng hệ thống hiện có mà không cần bổ sung thiết bị lớn, từ đó đạt được mục tiêu đốt ổn định và tiết kiệm năng lượng.

4.2 Các biện pháp kỹ thuật chính

Để đảm bảo phương án tổng thể được triển khai hiệu quả, nghiên cứu tập trung thiết kế và tối ưu ba biện pháp kỹ thuật trọng điểm như sau:

Thứ nhất, tối ưu phối trộn chất lượng than. Thông qua khảo sát nguồn cung và tồn kho tại kho than, xác định tỷ lệ phối trộn hợp lý giữa than bitum và á bitum, cùng chiến lược phân phối vào buồng đốt. Than á bitum tập trung bố trí tại tầng đầu đốt phía trên tương ứng với phễu B và D; do khả năng bắt cháy kém, tốc độ phản ứng chậm, nên cần bố trí gần vùng gió cháy kiệt; than á bitum bố trí tại tầng trung và thấp tương ứng với các phễu A, C, E để tận dụng đặc tính bốc cao và hoạt tính phản ứng tốt. Sau phối trộn, mục tiêu thiết kế: nhiệt trị không thấp hơn 4800 kcal/kg, hàm lượng tro dưới 25%, đảm bảo vận hành ổn định với tổng lưu lượng than 270 t/h.

Thứ hai, điều chỉnh tinh vi hệ thống cấp gió. Trong hệ thống gió thứ cấp, áp dụng phương án bố trí gió kiểu eo thắt, điều chỉnh độ mở gió cháy kiệt tầng trên trong khoảng 20%–70% để tránh gió lạnh gây rối loạn; tầng dưới duy trì khoảng 75% để giữ tốc độ khí cao, đảm bảo cháy kiệt. Cánh hướng của quạt FDF được điều chỉnh động theo nồng độ oxy và nhiệt độ khói thải, đảm bảo lưu lượng gió không quá lớn trong thời gian vận hành, hạn chế pha loãng quá mức hoặc ngọn lửa bị lệch. Cơ chế điều chỉnh áp suất hộp gió cũng phối hợp đồng bộ theo thay đổi công suất máy nghiền, giảm thiểu tình trạng mất cân bằng tỷ lệ gió-than.

Thứ ba, tối ưu hóa logic vận hành máy nghiền. Dựa trên mô hình cấp công suất “ít trên – nhiều dưới”, người vận hành điều chỉnh trong khoảng 50%–90% công suất định mức của máy nghiền, đảm bảo hệ thống nghiền tầng dưới phát huy tối đa trong giới hạn cho phép của chất lượng than. Đồng thời, sử dụng tín hiệu phản hồi nhiệt độ đầu ra để điều chỉnh lưu lượng gió sơ cấp và tỷ lệ gió sơ cấp nóng, ổn định nhiệt độ đầu ra trong phạm vi hợp lý (75–80℃ khi đốt than bitum, 65–70℃ khi đốt than á bitum), tránh hiện tượng nhiệt độ quá thấp gây tắc máy nghiền hoặc cản trở quá trình vận chuyển than.

Thông qua việc triển khai các biện pháp kỹ thuật nêu trên, các khâu vận hành lò hơi đã đạt được sự tái cấu trúc hệ thống “than – gió – lửa” một cách toàn diện, tạo nền tảng kỹ thuật vững chắc cho giai đoạn tiếp theo trong thực tiễn vận hành và đối chiếu dữ liệu.

V. Thực tiễn triển khai phương án tối ưu hóa và xác minh hiệu quả

5.1 Triển khai cải tạo và thiết kế thử nghiệm

Sau khi hoàn thành thiết kế phương án tối ưu hóa, tác giả đã tổ chức triển khai thử nghiệm kỹ thuật nhằm xác minh tính khả thi của việc vận hành đầy tải 5 máy nghiền than cũng như hiệu quả của chiến lược điều chỉnh đốt kèm theo. Công tác thử nghiệm tập trung vào các nội dung trọng điểm như phối trộn than, điều chỉnh cấp gió cho đầu đốt và tối ưu hóa logic điều khiển lưu lượng gió. Dựa trên cấu trúc hiện có của tổ máy và phân tích dữ liệu vận hành theo thời gian thực (xem Phụ lục 1), thử nghiệm được đảm bảo an toàn, khả thi và có thể định lượng được trong toàn bộ quá trình.

Trước khi triển khai thử nghiệm, nhà máy điện đã tiến hành kiểm tra toàn diện tình trạng vận hành của thiết bị, xác nhận không có khiếm khuyết phần cứng ảnh hưởng đến việc tăng tải, đồng thời lập kế hoạch thử nghiệm chi tiết cùng phương án an toàn. Giai đoạn đầu thử nghiệm được thực hiện tại tổ máy số 1 để kiểm tra công suất của của từng hệ thống nghiền, thông qua phương pháp tăng tải từng máy nhằm xác định từng máy nghiền có đạt được mục tiêu công suất 55 tấn/giờ trong điều kiện vận hành ổn định hay không. Nhân viên vận hành đồng thời ghi lại các chỉ số chính như lưu lượng gió sơ cấp, áp suất bộ phân ly, tốc độ gió trong ống dẫn than của hệ thống nghiền và thực hiện điều chỉnh kịp thời tỷ lệ gió lạnh – gió nóng, cũng như độ mở của damper gió sơ cấp, nhằm đảm bảo tỉ lệ hợp lý giữa gió và than, và độ mịn của than đáp ứng yêu cầu cháy.

Sau khi hệ thống nghiền đơn vận hành ổn định, thử nghiệm chuyển sang giai đoạn xác minh tải cao. Tác giả sử dụng phương pháp tăng tải dần từng máy, lần lượt khởi động máy nghiền thứ hai, thứ ba và thứ tư, mỗi lần tăng đều duy trì trạng thái ổn định trên 2 giờ và ghi lại toàn bộ các thông số thay đổi. Khi cả 5 hệ thống máy nghiền vận hành ổn định đồng thời và tổng lượng than đạt 270 tấn/giờ, thử nghiệm bước vào giai đoạn xác minh vận hành đầy tải, tập trung theo dõi các chỉ số vận hành then chốt như nhiệt độ khí thải, nhiệt độ khói vào bộ sấy không khí và công suất thực tế đầu cực của tổ máy. Để tăng độ tin cậy của dữ liệu, trong suốt quá trình thử nghiệm, mỗi giờ ghi lại đầy đủ các thông số vận hành, thời gian vận hành liên tục trên 4 giờ, đảm bảo hiệu suất tăng tải không bị sai lệch do dao động tức thời.

Nhằm kiểm soát dao động do chất lượng than không đồng đều trong thử nghiệm, nhân viên vận hành đã phối hợp tại kho than để xây dựng phương án phối trộn đồng nhất, sử dụng tổ hợp giữa than bitum và than á bitum, duy trì sự ổn định của giá trị nhiệt lượng và hàm lượng tro. Đồng thời, khi 5 máy nghiền vận hành ổn định, tiến hành thử giảm lượng cấp than cho máy B hoặc D và dừng một trong hai hệ thống nghiền làm dự phòng, nhằm xác minh khả năng điều chỉnh dự phòng của hệ thống. Nếu trong quá trình thử nghiệm, tổng lượng than duy trì không vượt quá 270 tấn/giờ, công suất thực tế đầu cực đạt 617,3 MW và nhiệt độ khí vào bộ sấy không khí được kiểm soát dưới 400℃, thì được coi là phương án tối ưu hóa đốt đã đạt hiệu quả như kỳ vọng.

Thông qua hoạt động cải tạo hiện trường và thử nghiệm hệ thống lần này, về cơ bản đã xác minh tính khả thi và hiệu quả của chiến lược tổng hợp “phối trộn than + cấp gió kiểu tháp + điều khiển động” trong ứng dụng thực tế. Đồng thời, cung cấp nền tảng dữ liệu vững chắc cho việc tối ưu tiếp thông số, đánh giá hiệu quả và nhân rộng sang các tổ máy khác trong tương lai.

5.2 Phân tích so sánh các chỉ tiêu chính

Sau khi hoàn thành thử nghiệm vận hành đầy tải với năm máy nghiền than, tác giả đã tiến hành phân tích so sánh các chỉ tiêu vận hành chính của lò hơi trước và sau khi tối ưu hóa, nhằm đánh giá hiệu quả thực tế của phương án điều chỉnh tối ưu hóa quá trình đốt trong việc nâng cao hiệu suất hệ thống, giảm phát thải và cải thiện độ ổn định. Nội dung so sánh bao gồm các thông số vận hành quan trọng như: công suất hệ thống nghiền than, hiệu suất nhiệt của lò hơi, nhiệt độ khí thải, hàm lượng carbon trong tro bay, và suất tiêu hao than (như Hình 1 và Hình 2).

Hình 1: Vận hành 5 máy nghiền than của tổ máy số 1

Hình 2: Vận hành 5 máy nghiền than của tổ máy số 2

Trước hết, công suất vận hành của hệ thống nghiền than được cải thiện rõ rệt. Trước khi tối ưu, công suất tối đa của một máy nghiền than duy trì ở mức 54–55 tấn/giờ, tính ổn định kém; sau khi tối ưu, thông qua việc điều chỉnh tỷ lệ gió nóng và kiểm soát nhiệt độ gió sơ cấp, công suất của một máy duy trì ổn định ở mức 55 tấn/giờ, hệ thống vận hành ổn định hơn, cho thấy năng lực cấp than của hệ thống nghiền than đã đáp ứng được yêu cầu vận hành đầy tải. Tổng lượng than được kiểm soát trong khoảng 270 tấn/giờ, hệ thống năm máy nghiền than vận hành liên hoàn có khả năng duy trì công suất đầy tải.

Thứ hai, hàm lượng carbon trong tro bay giảm rõ rệt. Trước khi tối ưu, hàm lượng carbon trong tro bay của lò hơi thường xuyên vượt quá 5%, hiện tượng cháy không hoàn toàn khá nghiêm trọng; sau khi thực hiện phối trộn than bitum và điều chỉnh gió cấp hai theo kiểu “thắt eo”, hàm lượng carbon trong tro bay trong quá trình vận hành tối ưu giảm xuống còn 3,1%, giảm 38%, tỷ lệ cháy kiệt được nâng cao rõ rệt, hiệu suất cháy trong buồng lò được cải thiện hiệu quả.

Nâng cao hiệu quả kiểm soát nhiệt độ khí thải. Trước khi thử nghiệm, nhiệt độ khí thải của hai lò hơi dao động trong khoảng 406–416℃, cao hơn nhiều so với giá trị thiết kế; sau khi tối ưu bằng cách điều chỉnh cấu trúc cấp gió và độ mở của gió cháy kiệt, nhiệt độ khí thải được kiểm soát ổn định dưới 400℃, giảm từ 1,5% đến 4%. Nhiệt độ khí thải tại đầu vào bộ sấy không khí cũng giảm theo, hiện tượng chênh lệch nhiệt được cải thiện rõ rệt, hiệu suất truyền nhiệt của hệ thống tiếp tục được nâng cao.

Cải thiện hiệu suất nhiệt của lò hơi. Theo kết quả tính toán nhiệt, hiệu suất nhiệt của lò hơi tăng từ 91,2% trước khi tối ưu lên 92,5%, tăng 1,3%. Mặc dù mức tăng không lớn, nhưng xét đến việc không có thay đổi phần cứng trong cấu trúc hệ thống, kết quả này có giá trị kỹ thuật cao, cho thấy chiến lược tối ưu có tác dụng tích cực trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt năng.

Giảm đều mức tiêu hao than đơn vị. Dữ liệu giám sát vận hành cho thấy, mức tiêu hao than giảm từ 325gce/kWh trước khi tối ưu xuống còn 312gce/kWh, tương đương khoảng 4%. Kết quả này hiện thức hóa tiết kiệm nhiên liệu và giảm chi phí, có tác dụng tích cực trong việc cải thiện các chỉ tiêu vận hành kinh tế của nhà máy điện.

Tổng hợp các kết quả so sánh nêu trên cho thấy, thông qua đợt điều chỉnh tối ưu hoá hệ thống đốt lần này, không chỉ giải quyết được vấn đề của hệ thống nghiền than gây hạn chế tăng tải, mà còn nâng cao đáng kể hiệu quả vận hành và độ ổn định của lò hơi, đặt nền tảng vững chắc cho việc đánh giá hiệu quả kinh tế và ứng dụng mở rộng sau này.

5.3 Hiệu quả kinh tế và hiệu quả môi trường

Việc tối ưu hóa hệ thống đốt lần này không chỉ đạt được hiệu quả cải thiện rõ rệt về mặt kỹ thuật mà còn mang lại những kết quả thiết thực, có thể định lượng được trong vận hành kinh tế và quản lý môi trường, thể hiện hiệu suất đầu tư tốt và khả năng nhân rộng cao.

Xét về hiệu quả kinh tế, việc giảm tiêu hao than đã mang lại hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu đáng kể. Theo tính toán, trong điều kiện tổ máy vận hành đầy tải, suất hao than giảm từ 325gce/kWh trước tối ưu xuống còn 312gce/kWh. Với sản lượng điện trung bình hằng năm là 5 tỷ kWh, có thể tiết kiệm khoảng 12.000 tấn than tiêu chuẩn, tiết kiệm chi phí nhiên liệu hơn 1 triệu USD. Đồng thời, do nhiệt độ khói thải giảm và độ lệch nhiệt giảm, hiện tượng bám bụi và mài mòn ở các bề mặt chịu nhiệt như bộ sấy không khí được cải thiện rõ rệt, tần suất thổi muội bằng hơi nước giảm mạnh, mỗi năm có thể tiết kiệm khoảng 500.000 USD chi phí sửa chữa và bảo trì, làm giảm đáng kể chi phí vận hành bảo trì của lò hơi.

Ngoài ra, hệ thống nghiền than vận hành ổn định hơn, công suất từng máy nghiền duy trì trong phạm vi định mức, giảm tần suất khởi động, dừng máy, và sửa chữa đột xuất do các sự cố như tắc máy nghiền hoặc quá nhiệt, qua đó gián tiếp nâng cao số giờ khả dụng tương đương của tổ máy, tăng khả năng đáp ứng huy động của lưới điện và sự ổn định trong vận hành kinh doanh của nhà máy điện.

Về hiệu quả môi trường, lần tối ưu này đã cải thiện tỉ lệ cháy kiệt và giảm lượng gió thừa trong quá trình đốt, qua đó kiểm soát hiệu quả lượng khí thải ô nhiễm. Dữ liệu vận hành cho thấy nồng độ phát thải NOₓ đã được kiểm soát dưới 380mg/Nm³, đáp ứng yêu cầu về chỉ tiêu phát thải ra môi trường, hàm lượng carbon trong tro bay giảm cũng đồng nghĩa với việc giảm lượng chất cháy thải ra ngoài, nâng cao hiệu quả của hệ thống lọc bụi. Quan trọng hơn, việc giảm tiêu hao than cũng đồng nghĩa với giảm cường độ phát thải CO₂. Theo ước tính, mỗi tấn than tiêu chuẩn phát thải khoảng 2,6 tấn CO₂, thì mỗi năm có thể giảm phát thải khoảng 30.000 tấn CO₂, góp phần giúp nhà máy điện đạt được mục tiêu kép về tiết kiệm năng lượng và phát triển xanh.

Tóm lại, các biện pháp tối ưu lần này đã đạt được sự cải thiện toàn diện về hiệu quả vận hành, kiểm soát chi phí và đáp ứng tiêu chuẩn môi trường mà không cần đầu tư lớn hay cải tạo thiết bị, mang lại hiệu quả tổng thể tốt và có giá trị thực tiễn để nhân rộng và áp dụng tại các tổ máy nhiệt điện đốt than siêu tới hạn tương tự ở Việt Nam và khu vực Đông Nam Á.

6. Kết luận và Triển vọng

6.1 Kết luận

Nghiên cứu này lấy tổ máy lò hơi trực lưu siêu tới hạn 660MW tại một nhà máy nhiệt điện than ở Việt Nam làm đối tượng, tập trung vào các nút thắt trong vận hành như giới hạn công suất hệ thống nghiền than, hiệu suất đốt cháy thấp và nhiệt độ khí thải cao, đã đề xuất và triển khai chiến lược tối ưu hóa ba trong một: “Tối ưu pha trộn chất lượng than – Tái cấu trúc phân phối gió cho vòi đốt – Tinh chỉnh điều khiển”. Thông qua thí nghiệm kỹ thuật hiện trường và so sánh dữ liệu vận hành, đã đạt được các kết quả chính sau:

Trước hết, giải quyết nút thắt về giới hạn tổng công suất của năm máy nghiền than. Thông qua tối ưu hóa logic vận hành máy nghiền và tỷ lệ gió - than, công suất mỗi hệ thống nghiền duy trì ổn định ở mức 55 tấn/giờ, tổng lượng than đáp ứng yêu cầu 270 tấn/giờ, công suất tinh của tổ máy đạt 617,3MW, tạo tiền đề cho duy trì vận hành đầy tải.

Thứ hai, nâng cao hiệu suất cháy của lò hơi. Thông qua pha trộn than bitum có hàm lượng chất bốc cao, tối ưu hóa cấu trúc đường gió và chiến lược điều chỉnh gió cháy hết, hàm lượng carbon không cháy trong tro bay giảm từ trên 5% xuống còn 3,1%, hiệu suất nhiệt lò hơi tăng từ 91,2% lên 92,5%, nhiệt độ khói thải giảm xuống dưới 400°C, nâng cao toàn diện hiệu quả sử dụng năng lượng.

Thứ ba, tăng cường hiệu quả kinh tế vận hành của tổ máy. Mức tiêu hao than giảm từ 325gce/kWh xuống còn 312gce/kWh, tiết kiệm khoảng 12.000 tấn than tiêu chuẩn mỗi năm, đồng thời tiêu hao của hệ thống phụ trợ và chi phí bảo trì cũng giảm theo, tổng hiệu quả tiết kiệm hàng năm đạt hàng triệu USD, nâng cao đáng kể tính ổn định và khả năng huy động của tổ máy.

Cuối cùng, hiện thực hóa hiệu quả bảo vệ môi trường. Nồng độ phát thải NOₓ duy trì ổn định dưới 380mg/Nm³, lượng phát thải CO₂ hàng năm giảm khoảng 30.000 tấn, thể hiện rõ giá trị thực tiễn của lộ trình kỹ thuật này trong bối cảnh chuyển đổi carbon thấp và tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải.

Tổng hợp lại, chiến lược tối ưu hóa đốt cháy được đề xuất trong bài viết này có các ưu điểm như lộ trình kỹ thuật rõ ràng, chi phí thực hiện thấp, hiệu quả vận hành rõ rệt, cung cấp một mô hình thành công cho việc nâng cao hiệu suất năng lượng của các lò hơi cùng loại tại Việt Nam và khu vực Đông Nam Á, có ý nghĩa điển hình và triển vọng ứng dụng rộng rãi

6.2 Hạn chế và Triển vọng

Mặc dù nghiên cứu này đã đạt được những kết quả tích cực trong thực tiễn kỹ thuật, nhưng vẫn còn tồn tại một số hạn chế và không gian cải tiến trong tương lai.

Một mặt, phương án tối ưu hóa lần này chủ yếu dựa vào điều chỉnh thủ công và dựa trên kinh nghiệm. Tuy đạt được hiệu quả vận hành nhất định, nhưng tốc độ đáp ứng và độ chính xác điều chỉnh còn hạn chế. Trong tương lai, có thể tích hợp công nghệ điều khiển thông minh như thuật toán trí tuệ nhân tạo và máy mô phỏng thông minh để xây dựng hệ thống tìm kiếm tối ưu thông số đốt cháy theo thời gian thực, nâng cao hơn nữa mức độ tự động hóa và hiệu suất vận hành.

Mặt khác, nghiên cứu vẫn chưa đề cập đến cơ chế điều khiển phối hợp giữa hệ thống khử NOₓ và tối ưu hóa đốt cháy. Đặc biệt trong điều kiện phụ tải cao và huy động cao điểm, giữa tối ưu đốt cháy và hệ thống SCR/SNCR có thể mâu thuẫn nhất định. Do đó, đề xuất nghiên cứu tiếp theo xây dựng chiến lược điều khiển tổng hợp đa mục tiêu, để đạt được sự tối ưu đồng thời về hiệu suất, phát thải và tốc độ đáp ứng.

Ngoài ra, nghiên cứu này chủ yếu dựa trên dữ liệu vận hành và đặc tính than của một nhà máy cụ thể. Trong tương lai, cần tiến hành thử nghiệm thích ứng và so sánh thông số trên quy mô lớn hơn và với các loại than khác nhau, để làm phong phú thêm kho dữ lựu, nâng cao tính phổ quát và thích nghi của chiến lược tối ưu hóa.

Về tổng thể, việc tối ưu hóa hệ thống đốt lò hơi là một công việc kỹ thuật phức tạp và mang tính hệ thống, đòi hỏi sự kết hợp giữa công nghệ và quản lý. Nghiên cứu này đã đưa ra một lộ trình khả thi, và sẽ tiếp tục đào sâu vào lĩnh vực điều khiển thông minh và mở rộng khu vực ứng dụng, tạo nền tảng cho việc xây dựng hệ thống vận hành tổ máy nhiệt điện hiệu quả, sạch và thông minh.

Ma Chao