Tận dụng nhiệt lạnh từ quá trình tái hóa khí LNG - Nghiên cứu của chuyên gia Việt Nam
Thứ ba, 07/05/2024 - 17:41
Theo Quy hoạch điện VIII, đến năm 2030 cả nước sẽ có khoảng 24 GW năng lượng điện từ nhiên liệu khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG). Để đáp ứng vận hành các nhà máy điện sử dụng LNG trong tương lai sẽ cần phải nhập khẩu khoảng 15 triệu tấn LNG mỗi năm. Trong quá trình tái hóa khí LNG từ trạng thái lỏng để đưa vào sử dụng, LNG sẽ sinh ra một lượng nhiệt lạnh rất lớn thải ra môi trường. Nhận thức được sự cần thiết của việc nghiên cứu tận dụng nguồn nhiệt lạnh này, PECC2 đã hợp tác cùng các giảng viên Bộ môn Công nghệ Nhiệt lạnh, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM hoàn thành đề tài khoa học công nghệ “Nghiên cứu tận dụng nhiệt lạnh từ quá trình tái hóa khí LNG”.
Các thông tin khái quát về đề tài:
Trong quá trình tái hóa khí, nhiên liệu LNG lỏng sẽ được nâng nhiệt độ từ -160 độ C đến khoảng 10 độ C để hóa khí và cung cấp đến các nhà máy điện. Quá trình này tạo ra một lượng nhiệt lạnh rất lớn thải ra môi trường (ví dụ mỗi kg LNG lỏng sẽ sinh ra khoảng 780 kJ năng lượng nhiệt lạnh). Đây là nguồn nhiệt lạnh hoàn toàn có thể được tận dụng khai thác để phục vụ các nhu cầu khác nhau.
Hình 1: Mô hình minh họa về tổ hợp dự án sử dụng LNG. (Nguồn: wartsila.com)
Bên cạnh nghiên cứu tổng quan về các ứng dụng tận dụng nguồn nhiệt lạnh từ quá trình tái hóa khí LNG như: Nâng cao hiệu suất nhà máy điện; điều chế CO2 hóa lỏng, đá khô; điều chế N2, O2, Ar hóa lỏng; lọc hóa dầu; hóa lỏng BOG (Boil-off gas), nhóm đề tài đã tập trung nghiên cứu 2 ứng dụng chính của quá trình này là: Tận dụng nhiệt lạnh từ quá trình tái hóa khí LNG để phát điện và để đông lạnh sâu, cấp trữ đông.
Hình 2: Các ứng dụng tận dụng nhiệt lạnh từ quá trình tái khí hóa khí LNG. (Nguồn: Tác giả).
Đề tài sử dụng 2 phương pháp nghiên cứu chính: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và phương pháp nghiên cứu mô phỏng.
Ở phương pháp nghiên cứu lý thuyết, nhóm đề tài tổng hợp, phân tích các kết quả nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam, xây dựng cơ sở lý thuyết để tính toán quy trình công nghệ, thiết bị và phân tích kinh tế các ứng dụng tận dụng nhiệt lạnh từ quá trình tái hóa khí LNG.
Ở phương pháp nghiên cứu mô phỏng, nhóm đề tài xây dựng chương trình thiết kế, mô phỏng quy trình công nghệ, thiết bị và phân tích kinh tế các ứng dụng tận dụng nhiệt lạnh từ quá trình tái hóa khí LNG.
Kết quả đạt được của đề tài:
Sản phẩm của đề tài là chương trình tính toán về mặt năng lượng các quá trình tái hóa khí LNG cho hai ứng dụng trên. Chương trình tính toán này hiện nay đang được sử dụng như một công cụ hỗ trợ Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 2 (PECC2) trong công tác tư vấn thiết kế phục vụ nhu cầu của khách hàng.
Ứng dụng phát điện:
Đối với ứng dụng phát điện, nhóm nghiên cứu đã tiến hành tính toán năng lượng (thông số nhiệt động và lưu lượng của chất làm việc tại các điểm nút trên chu trình, các thông số năng lượng như công, nhiệt lượng, hiệu suất nhiệt) và kinh tế (chi phí đầu tư CAPEX, giá trị hiện tại ròng của dự án NPV, tỷ lệ hoàn vốn IRR, thời gian hoàn vốn PB), từ đó sử dụng phần mềm EES (Engineering Equation Solver) để xây dựng 3 module tính toán cho các ứng dụng phát điện.
Các ứng dụng này sử dụng nhiệt lạnh từ quá trình tái hóa khí LNG phục vụ phát điện thông qua giãn nở trực tiếp khí thiên nhiên hoặc thông qua chu trình Rankine hữu cơ ORC sử dụng môi chất làm việc giúp quay tua bin phát điện.
Sơ đồ nguyên lý và giao diện làm việc của các module lần lượt được thể hiện ở Hình 3, Hình 4, Hình 5:
Hình 3: Module tính toán tận dụng nhiệt lạnh cho chu trình ORC kết hợp giãn nở trực tiếp LNG qua tua bin. (Nguồn: Nhóm nghiên cứu).
Hình 4: Module tính toán tận dụng nhiệt lạnh cho chu trình ORC. (Nguồn: Nhóm nghiên cứu).
Hình 5: Module tính toán tận dụng nhiệt lạnh cho chu trình ORC kết hợp giãn nở trực tiếp LNG qua tua bin và tận dụng nhiệt từ quá trình ngưng hơi cấp vào chu trình ORC. (Nguồn: Nhóm nghiên cứu).
Các thông số đầu vào của module có thể thay đổi giá trị để khảo sát được sự tác động của các thông số này đến hiệu quả làm việc của chu trình. Mỗi module của ứng dụng phát điện có các chức năng chính như sau:
- Module có tích hợp các thông số nhiệt động (áp suất, enthalpy, entropy, thể tích riêng) của LNG với các thành phần được lấy từ 3 nguồn cung cấp là Indonesia, Qatar, Libya. Các thông số nhiệt động này được truy xuất từ phần mềm REFPROP Ver 9.1 cung cấp bởi NIST (National Institute of Standards and Technology).
- Tính toán được các thông số trạng thái (áp suất, nhiệt độ, enthalpy, entropy, độ khô) của LNG và môi chất làm việc trong chu trình ORC (NH3, hoặc propan) và biểu diễn các cặp thông số (p, t) lên giao diện làm việc của chu trình, hoặc thông qua đồ thị thông số.
- Tính toán các thông số năng lượng liên quan đến các thiết bị trong chu trình và biểu diễn các thông số này lên giao diện làm việc của chu trình.
- Tính toán các chỉ số đánh giá hiệu quả kinh tế của dự án như NPV, IRR và thời gian hoàn vốn.
Về tính toán các chỉ số đánh giá hiệu quả kinh tế, đề tài xem xét ví dụ áp dụng cho một kho cảng LNG có thể tận dụng nhiệt lạnh từ LNG với lưu lượng khoảng 208 kg/s. Bài toán kinh tế được xem xét tính toán trong 6 trường hợp với số lượng chu trình và môi chất sử dụng khác nhau:
- Trường hợp 1 (gọi tắt là C1): Chu trình 1 vòng tuần hoàn ORC sử dụng môi chất Propan.
- Trường hợp 2 (gọi tắt là C2): Chu trình 1 vòng tuần hoàn ORC sử dụng Amoniac.
- Trường hợp 3 (gọi tắt là C3): Chu trình 2 vòng tuần hoàn ORC sử dụng Propan và quá trình giãn nở trực tiếp DEX (LNG direct expansion).
- Trường hợp 4 (gọi tắt là C4): Chu trình 2 vòng tuần hoàn ORC sử dụng Amoniac và quá trình giãn nở trực tiếp DEX.
- Trường hợp 5 (gọi tắt là C5): Chu trình 3 vòng tuần hoàn (chu trình Rankine sử dụng hơi nước, chu trình ORC sử dụng Propan và quá trình giãn nở trực tiếp DEX).
- Trường hợp 6 (gọi tắt là C6): Chu trình 3 vòng tuần hoàn (chu trình Rankine sử dụng hơi nước, chu trình ORC sử dụng Amoniac và quá trình giãn nở trực tiếp DEX).
Kết quả tính toán một số chỉ số kinh tế được thể hiện trong Hình 6.
Hình 6: Kết quả tính toán một số chỉ số kinh tế cho 6 trường hợp ứng dụng phát điện với cơ cấu vốn 30% chủ sở hữu và 70% vốn vay. (Nguồn: Nhóm nghiên cứu).
Ứng dụng đông lạnh sâu:
Đối với ứng dụng đông lạnh sâu và cấp trữ đông, nhóm nghiên cứu đã xây dựng 2 module để tính toán: Module 1 - Hệ thống đông lạnh và cấp trữ đông sử dụng chất tải lạnh có biến đổi pha và module 2 - Hệ thống sử dụng chất tải lạnh không biến đổi pha. Cả 2 module đều tính toán các thông số làm việc và năng lượng của phương án tận dụng nhiệt lạnh trong các hệ thống ở nhiều cấp nhiệt độ và công suất lạnh khác nhau.
Điểm khác nhau của 2 module là trong module 1, quá trình tái hóa khí LNG được thực hiện một lần qua một thiết bị trao đổi nhiệt duy nhất, còn trong module 2, quá trình tái hóa khí LNG được thực hiện qua ba thiết bị trao đổi nhiệt nối tiếp nhau HE-1, HE-2 và HE-3 và sử dụng chất tải lạnh là dung dịch ethyl alcohol nồng độ 60%.
Sơ đồ nguyên lý và giao diện làm việc của các module được thể hiện ở Hình 7, Hình 8:
Hình 7: Module 1 - Hệ thống đông lạnh và cấp trữ đông, sử dụng chất tải lạnh có biến đổi pha. (Nguồn: Nhóm nghiên cứu).
Hình 8: Module 2 - Hệ thống đông lạnh và cấp trữ đông, sử dụng chất tải lạnh không biến đổi pha. (Nguồn: Nhóm nghiên cứu).
Các module của ứng dụng đông lạnh sâu và cấp trữ đông có các chức năng chính tương tự như của module phát điện như sau:
- Module có tích hợp các thông số nhiệt động của LNG với các thành phần được lấy từ 3 nguồn cung cấp là Indonesia, Qatar, Libya.
- Tính toán được các thông số trạng thái của LNG và dung dịch ethyl alcohol. Biểu diễn các cặp thông số (p, t) lên giao diện làm việc của chu trình.
- Tính toán các thông số năng lượng liên quan đến các thiết bị trong chu trình và truy xuất các thông số này lên giao diện làm việc của chu trình.
- So sánh chi phí đầu tư, vận hành với phương án sử dụng máy nén truyền thống.
Đề tài thực hiện nghiên cứu địa điểm cấp trữ đông với ba kho lạnh có công suất lạnh và nhiệt độ làm việc lần lượt là: Kho 1 (20 độ C - 750 kW), kho 2 (-15 độ C - 1.000 kW) và kho 3 (-35 độ C - 600 kW).
Kết quả tính toán cho thấy: Chi phí đầu tư ban đầu cho nhà máy làm việc theo Module 1 dùng chất tải lạnh có biến đổi pha chỉ bằng 53%, trong khi chi phí vận hành chỉ bằng khoảng 35% so với hệ thống truyền thống. Với Module 2 dùng chất tải lạnh không biến đổi pha, chi phí đầu tư ban đầu có thể thấp hơn so với Module 1 (chỉ khoảng 42%), trong khi chi phí vận hành cho phương án này rất nhỏ (chỉ khoảng 0,1% so với phương án làm lạnh bằng máy nén truyền thống).
Kết Luận:
Nhóm đề tài đã tổng hợp, phân tích các phương án ứng dụng tận dụng nhiệt lạnh từ quá trình tái hóa khí LNG nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng nhiên liệu LNG, giảm bớt lượng nhiệt lạnh phải thải bỏ ra môi trường. Đồng thời nhóm cũng đã xây dựng chương trình tính toán năng lượng và phân tích kinh tế cho 2 ứng dụng tận dụng lượng nhiệt lạnh này để sản xuất điện và làm đông lạnh sâu.
Kết quả đề tài có thể được phát triển thêm và mở ra khả năng nghiên cứu tận dụng nhiệt lạnh cho các ứng dụng khác, từ đó giúp PECC2 mở rộng phạm vi tư vấn và đáp ứng được các nhu cầu đa dạng của khách hàng trong bối cảnh LNG được đầu tư phát triển rộng rãi ở Việt Nam./.
THỰC HIỆN: PHẠM QUỐC VIỆT
Tạp chí Năng lượng Việt Nam.