Tính toán kinh tế nhà máy nhiệt điện sử dụng khí thiên nhiên hóa lỏng và than

Tính toán kinh tế nhà máy nhiệt điện sử dụng khí thiên nhiên hóa lỏng và than Tính toán kinh tế nhà máy nhiệt điện sử dụng khí thiên nhiên hóa lỏng và than Tính toán kinh tế nhà máy nhiệt điện sử dụng khí thiên nhiên hóa lỏng và than Tính toán kinh tế nhà máy nhiệt điện sử dụng khí thiên nhiên hóa lỏng và than

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Trong quy hoạch phát triển đến năm 2030, Đồng bằng sông Cửu Long sẽ có 14 nhà máy nhiệt điện, trong đó Tiền Giang xây dựng 2 nhà máy để đáp ứng nhu cầu điện ngày càng tăng Đề án điều chỉnh quy hoạch điện VII sẽ hạn chế phát triển nhiệt điện than và tăng tỷ trọng năng lượng tái tạo lên 27.000 MW Mặc dù năng lượng tái tạo được ưu tiên, Việt Nam vẫn cần đa dạng hóa nguồn điện để đảm bảo an ninh năng lượng, vì hiện tại không quốc gia nào chỉ phát triển bằng năng lượng tái tạo Nhiệt điện khí phụ thuộc vào nguồn cấp khí, do đó trong bối cảnh thiếu hụt khí đốt, việc phát triển nhiệt điện than với công nghệ sạch vẫn là cần thiết.

Trung tâm Điện lực Tân Phước, do Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) làm Chủ đầu tư, là một dự án nguồn điện quan trọng trong Quy hoạch điện VII điều chỉnh đã được Thủ tướng chính phủ phê duyệt nhằm đảm bảo cung cấp điện cho miền Nam Dự án sẽ được xây dựng tại xã Tân Phước, huyện Gò Công Đông, tỉnh Tiền Giang, cách thành phố Hồ Chí Minh khoảng 52km về phía Tây – Nam Để tối ưu hóa hiệu quả dự án, nhà thầu tư vấn PECC2 được giao nhiệm vụ đề xuất phương án nhiên liệu tối ưu cho Trung tâm Điện lực Tân Phước, thông qua việc phân tích và so sánh hai loại nhiên liệu than và LNG về kinh tế - kỹ thuật, môi trường, an ninh năng lượng và khả năng cung cấp nhiên liệu Dựa trên phương án nhiên liệu được lựa chọn, PECC2 sẽ thực hiện các bước tiếp theo để đảm bảo sự thành công của dự án.

Nhiệm vụ khảo sát và lập quy hoạch cho Trung tâm Điện lực Tân Phước tại xã Tân Phước, huyện Gò Công Đông, tỉnh Tiền Giang đang được triển khai Đề tài "Tính toán kinh tế nhà máy nhiệt điện sử dụng khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) và than" được phát triển nhằm lựa chọn giải pháp sử dụng nhiên liệu phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật hiện tại của địa phương.

Nhiệm vụ và mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của nghiên cứu là so sánh hiệu quả kinh tế và tính khả thi của nhà máy nhiệt điện sử dụng khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) và than Nghiên cứu sẽ xây dựng các hàm tính toán chi phí đầu tư, chi phí vận hành, bảo trì, cũng như giá thành sản xuất mỗi kW điện từ hai loại nhiên liệu này.

Phạm vi nghiên cứu

 Khảo sát hệ thống phát điện của nhà máy nhiệt điện

 Tìm các yếu tố liên quan đến kinh tế và kỹ thuật

 Xây dựng các hàm chi phí dựa vào các yếu tố trên

 So sánh tính kinh tế khi sử dụng 2 loại nhiên liệu khác nhau

 Nhận xét và kết luận

Đề tài này tập trung vào mối quan hệ giữa chi phí năng lượng đầu vào và giá thành năng lượng đầu ra, nhằm phân tích chi phí phát điện khi sử dụng hai loại nhiên liệu chính: khí thiên nhiên hóa lỏng và than.

Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu lý thuyết về nhà máy nhiệt điện

 Nghiên cứu mô hình hệ thống phát điện của nhà máy nhiệt điện

 Nghiên cứu lý thuyết xây dựng các hàm chi phí của các phương pháp phát điện với 2 loại nhiên liệu là LNG và than

 Tham khảo các kết quả nghiên cứu của các nước phát triển trong lĩnh vực này

 Phân tích các kết quả nhận đƣợc và các kiến nghị

 Đánh giá tổng quát toàn bộ đề tài Đề nghị hướng phát triển của đề tài.

Kết quả dự kiến và giá trị thực tiễn

Bằng cách tham khảo tài liệu và áp dụng các phương pháp toán học phù hợp, có thể xác định loại nhiên liệu tối ưu cho nhà máy nhiệt điện địa phương Điều này sẽ giúp nhà máy hoạt động ổn định và bền vững, đáp ứng nhu cầu điện năng của khu vực.

Nội dung đề tài

Chương 1 : Giới thiệu đề tài

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết của nhà máy nhiệt điện

Chương 3 : Xây dựng hàm chi phí của các phương pháp phát điện

Chương 4 : Kết luận và hướng phát triển của đề tài

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

Một số thiết bị chính trong nhà máy nhiệt điện

Trong nhà máy nhiệt điện có rất nhiều thiết bị nhƣng ta chỉ xét đến các thiết bị chính phục vụ trong nhà máy:

Lò hơi là thiết bị thiết yếu trong nhà máy nhiệt điện, nơi diễn ra quá trình hâm nóng và cung cấp hơi bão hòa Hơi này sau đó được dẫn đến thiết bị gia nhiệt để chuyển đổi thành hơi quá nhiệt, phục vụ cho hoạt động của máy phát điện.

Tuabin hơi-khí: là nơi biến đổi nhiệt năng của hơi thành cơ năng quay roto tuabin

Máy phát điện: có nhiệm vụ biến cơ năng thành nhiệt năng phục vụ cho các quá trình sản xuất

Thiết bị ngưng hơi đóng vai trò quan trọng trong quá trình thu hồi nước sau khi hơi ra khỏi tuabin Thiết bị này giúp ngưng hơi thành nước và bơm nước trở lại bể chứa, từ đó tái sử dụng lượng nước đã sử dụng cho quá trình tạo hơi tiếp theo.

Bể chứa là nơi cung cấp nước cho lò hơi và cũng là nơi chứa đựng nước được ngưng lại nhờ thiết bị ngƣng hơi.

Nguyên lý làm việc của lò hơi

2.2.1 Vai trò của lò hơi trong sản xuất điện

Lò hơi là thiết bị quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng, nơi nhiên liệu được đốt cháy để sinh ra nhiệt Nhiệt lượng tỏa ra từ quá trình này sẽ làm nước sôi và biến thành hơi, chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt năng của dòng hơi.

Lò hơi là thiết bị thiết yếu trong hầu hết các xí nghiệp và nhà máy, đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất hơi nước phục vụ cho quá trình sản xuất điện năng tại các nhà máy điện.

Trong các nhà máy hóa chất, đường, rượu, bia và nước giải khát, quy trình đun nấu, chưng cất dung dịch và sấy sản phẩm đóng vai trò quan trọng Những quy trình này không chỉ đảm bảo chất lượng sản phẩm mà còn tối ưu hóa hiệu suất sản xuất Việc áp dụng công nghệ hiện đại trong các giai đoạn này giúp nâng cao hiệu quả và giảm thiểu lãng phí nguyên liệu.

Trong các nhà máy điện, lò hơi đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất hơi quá nhiệt với áp suất và nhiệt độ cao, nhằm quay tuốc bin và tạo ra điện năng với công suất lớn.

Nhiên liệu sử dụng trong lò hơi có thể bao gồm nhiên liệu rắn như than, củi và bã mía, hoặc nhiên liệu lỏng như dầu nặng (FO) và dầu diezen (DO), cũng như nhiên liệu khí.

2.2.2 Nguyên lý làm việc của lò hơi trong nhà máy điện

Trong các lò hơi nhà máy điện, hơi quá nhiệt được sản xuất thông qua các quá trình như đun nóng nước đến sôi, biến nước thành hơi bão hòa và sau đó chuyển đổi hơi bão hòa thành hơi quá nhiệt với nhiệt độ cao Công suất của lò hơi phụ thuộc vào lưu lượng, nhiệt độ và áp suất hơi; giá trị càng cao thì công suất lò hơi càng lớn.

Hiệu quả trao đổi nhiệt giữa ngọn lửa, khói và môi chất trong lò hơi bị ảnh hưởng bởi tính chất vật lý của sản phẩm cháy cũng như của nước hoặc hơi tham gia quá trình Ngoài ra, hình dáng, cấu tạo và đặc tính của các phần tử trong lò hơi cũng đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất này.

Trên hình 2.1 trình bày nguyên lý cấu tạo của lò hơi tuần hoàn tự nhiên hiện đại trong nhà máy điện

Nhiên liệu và không khí được phun qua vòi phun số 1 vào buồng lửa số 2, tạo ra hỗn hợp cháy và được đốt cháy trong buồng lửa, với nhiệt độ ngọn lửa có thể đạt rất cao.

1900 0 C Nhiệt lượng tỏa ra khi nhiên liệu cháy truyền cho nước trong dàn ống sinh hơi

Nước được đun nóng đến nhiệt độ sôi, tạo thành hơi bão hòa Hơi bão hòa di chuyển qua ống sinh hơi 3 và tập trung vào bao hơi số 5, nơi hơi được phân li ra khỏi.

Nước được dẫn qua ống xuống và đi vào lò, sau đó chuyển sang ống sinh hơi số 3 để tiếp tục nhận nhiệt Hơi bão hòa từ bao hơi số 5 sẽ được dẫn qua ống góp hơi số 6 vào các ống xoắn của bộ quá nhiệt số 7 Tại đây, hơi bão hòa di chuyển trong các ống xoắn sẽ nhận nhiệt từ khói nóng bên ngoài, biến thành hơi quá nhiệt với nhiệt độ cao hơn, sau đó đi vào ống góp để đến tua bin hơi, nơi nhiệt năng được chuyển đổi thành cơ năng để quay tua bin.

Hình 2.1 Nguyên lý cấu tạo của lò hơi

1 Vòi phun nhiên liệu + không khí

6 Bộ quá nhiệt bức xạ

7 Bộ quá nhiệt nửa bức xạ

9 Bộ quá nhiệt đối lưu

17 Ống góp nước Ở đây ống sinh hơi số 3 đặt phía trong tường lò nên môi chất trong ống nhận nhiệt và sinh hơi liên tục do đó trong ống sinh hơi 3 là hỗn hợp hơi và nước, còn ống xuống

Trong lò hơi tuần hoàn tự nhiên, môi chất trong ống 4 không nhận nhiệt, dẫn đến việc ống 4 chứa nước Khối lượng riêng của hỗn hợp hơi và nước trong ống 3 nhỏ hơn khối lượng riêng của nước trong ống 4, do đó hỗn hợp trong ống 3 sẽ đi lên, trong khi nước trong ống 4 liên tục đi xuống Quá trình này tạo ra sự tuần hoàn tự nhiên trong lò hơi.

Buồng lửa phun, như mô tả trong hình 2.1, là nơi nhiên liệu được phun vào và cháy lơ lửng, tạo ra nhiệt độ rất cao từ 1300 °C đến 1900 °C Quá trình cháy này diễn ra trong buồng lửa, mang lại hiệu quả trao đổi nhiệt bức xạ cao giữa ngọn lửa và dàn ống sinh hơi, giúp tối ưu hóa lượng nhiệt mà dàn ống thu được.

Ngọn lửa chủ yếu phát sinh từ quá trình trao đổi nhiệt bức xạ Để tối ưu hóa việc hấp thu nhiệt lượng bức xạ từ ngọn lửa và bảo vệ tường lò khỏi nhiệt độ cao cũng như ảnh hưởng của tro nóng chảy, các dàn ống sinh hơi được bố trí xung quanh tường buồng lửa.

Khói thoát ra từ buồng lửa được làm nguội một phần tại cụm phecston trước khi vào bộ quá nhiệt, nơi khói di chuyển ngoài ống truyền nhiệt cho hỗn hợp hơi nước bên trong Khi ra khỏi bộ quá nhiệt, khói vẫn còn nhiệt độ cao, do đó, để tận dụng nhiệt thừa, người ta lắp đặt thêm bộ hâm nước và bộ sấy không khí ở phần đuôi lò.

Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện

2.3.1 Nhà máy điện áp dụng chu trình tuốc bin hơi nước

Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều loại nhà máy điện chuyển đổi năng lượng thiên nhiên thành điện năng, nhưng mức độ hiện đại và giá thành điện năng của chúng rất khác nhau Sự khác biệt này phụ thuộc vào thời gian nghiên cứu và phát triển từng loại hình nhà máy Đối với các nước đang phát triển như Việt Nam, nền công nghiệp còn yếu và tiềm năng kinh tế hạn chế, nên chủ yếu xây dựng nhà máy nhiệt điện sử dụng tuốc bin hơi hoặc chu trình hỗn hợp để biến đổi năng lượng từ nhiên liệu thành điện năng.

2.3.1.1 Chu trình Carno hơi nước Ở phần nhiệt động ta đã biết chu trình Carno thuận chiều là chu trình có hiệu suất nhiệt cao nhất khi có cùng nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh Chu trình Carno lý tưởng gồm 2 quá trình đoạn nhiệt và 2 quá trình đẳng nhiệt Về mặt kỹ thuật, dùng khí thực trong phạm vi bão hòa có thể thực hiện đƣợc chu trình Carno và vẫn đạt đƣợc hiệu suất nhiệt lớn nhất khi ở cùng phạm vi nhiệt độ

Chu trình Carnot áp dụng cho khí thực trong vùng hơi bão hòa, như được thể hiện trong hình 1.2 Tuy nhiên, việc thực hiện chu trình Carnot đối với khí thực và hơi nước gặp nhiều khó khăn do một số lý do nhất định.

Quá trình hơi nhả nhiệt đẳng áp và ngưng tụ thành nước (quá trình 2-3) là quá trình ngưng tụ không hoàn toàn, trong đó hơi ở trạng thái 3 vẫn giữ trạng thái bão hòa với thể tích riêng lớn Để thực hiện quá trình nén đoạn nhiệt hơi ẩm theo quá trình 3-4, cần sử dụng máy nén có kích thước lớn và tiêu hao công suất đáng kể.

Nhiệt độ tới hạn của nước chỉ đạt 374,15 °C, dẫn đến độ chênh lệch nhiệt giữa nguồn nóng và nguồn lạnh trong chu trình không lớn, làm giảm công suất của chu trình.

Độ ẩm cao trong hơi nước của tuốc bin có thể gây ra tổn thất năng lượng do các giọt ẩm lớn va chạm vào cánh tuốc bin, dẫn đến ăn mòn nhanh chóng.

Hình 2.2 Chu trình Carno hơi nước

2.3.1.2 Sơ đồ thiết bị và đồ thị chu trình nhà máy điện

Mặc dù chu trình Carnot có hiệu suất nhiệt cao, nhưng nó gặp phải một số nhược điểm khi áp dụng cho khí thực Do đó, trong thực tế, chu trình Carnot ít được sử dụng và thay vào đó là chu trình Renkin, một chu trình cải tiến gần gũi với chu trình Carnot Chu trình Renkin hoạt động theo chiều thuận, chuyển đổi nhiệt năng thành công năng.

Chu trình Renkin là chu trình nhiệt quan trọng trong các nhà máy nhiệt điện, sử dụng nước và hơi nước làm môi chất làm việc Tất cả thiết bị trong nhà máy đều tương tự nhau, ngoại trừ thiết bị sinh hơi Trong quá trình này, nước hấp thụ nhiệt để chuyển đổi thành hơi, với lò hơi là thiết bị sinh hơi chính, nơi nước nhận nhiệt từ việc đốt cháy nhiên liệu Sơ đồ thiết bị của chu trình nhà máy nhiệt điện thể hiện cấu trúc và hoạt động của hệ thống này.

Nước trong bình ngưng IV (trạng thái 2’) với thông số p2, t2 được bơm bởi thiết bị bơm V vào thiết bị sinh hơi I, làm tăng áp suất từ p2 đến p1 (quá trình 2’-3) Trong thiết bị sinh hơi, nước trong các ống hấp thụ nhiệt từ quá trình cháy, nhiệt độ tăng đến mức sôi (quá trình 3-4), sau đó hóa hơi (quá trình 4-5) và trở thành hơi quá nhiệt trong bộ quá nhiệt II (quá trình 5-1) Quá trình 3-4-5-1 diễn ra ở áp suất không đổi p1 Hơi ra khỏi bộ quá nhiệt II (trạng thái 1) với thông số p1, t1 vào tuốc bin III, nơi hơi dãn nở và biến nhiệt năng thành cơ năng (quá trình 1-2) Hơi ra khỏi tuốc bin có thông số p2, t2 trở về bình ngưng IV, ngưng tụ thành nước (quá trình 2-2’), rồi được bơm V bơm trở lại lò Quá trình nén trong bơm có thể coi là quá trình nén đẳng tích do nước không bị nén (thể tích ít thay đổi).

Hình 2.3 Sơ đồ thiết bị nhà máy điện Hình 2.4 Đồ thị T-s của chu trình NMNĐ

2.3.1.3 Hiệu suất nhiệt lý tưởng của chu trình Renkin

Nhiệt lƣợng môi chất nhận đƣợc trong quá trình đẳng áp 3-1 lò hơi là:

Nhiệt lượng môi chất nhả ra cho nước làm mát trong quá trình đẳng áp 2-2’ ở bình ngƣng là:

2 2 2' q   i i (2.9) Hiệu suất nhiệt của chu trình  t đƣợc tính theo công thức:

Ở áp suất thấp, công tiêu tốn cho bơm nước cấp thường rất nhỏ so với công do tuốc bin sinh ra, vì vậy có thể coi công bơm là không đáng kể, tức là i2' gần bằng i3 Do đó, công của chu trình sẽ được tính như sau:

1 2 1 3 2 2' 1 2 l q q      i i i i i i (2.11) Hiệu suất nhiệt chu trình sẽ bằng:

2.3.2 Nhà máy điện dùng chu trình hỗn hợp tuốc bin khí-hơi

Chu trình hỗn hợp là sự kết hợp giữa chu trình Renkin hơi nước và chu trình tuốc bin khí, tạo thành một chu trình ghép hiệu quả Sơ đồ thiết bị và đồ thị T-s của chu trình này được trình bày rõ ràng trong hình 1.4.

Hệ thống thiết bị bao gồm các thành phần chính như thiết bị sinh hơi I (buồng đốt), tuốc bin hơi nước 2, bình ngưng hơi 3, bơm nước cấp 4, bộ hâm nước 5, tuốc bin khí 6 và máy nén không khí 7.

Chu trình làm việc của thiết bị bắt đầu bằng việc nén không khí trong máy nén đến áp suất và nhiệt độ cao Sau đó, không khí được đưa vào buồng đốt I, nơi nó kết hợp với nhiên liệu và cháy dưới áp suất cao Sản phẩm cháy sau đó nhả nhiệt cho nước trong dàn ống của buồng đốt I trước khi đi vào tuốc bin khí, nơi nó dãn nở và sinh công Cuối cùng, sản phẩm cháy với nhiệt độ cao tiếp tục đi qua bộ hâm nước để gia nhiệt cho nước trước khi thải ra ngoài.

Nước được bơm qua bộ hâm nước vào dàn ống của buồng đốt I, nơi nó nhận nhiệt và biến thành hơi quá nhiệt Hơi quá nhiệt sau đó vào tuốc bin hơi 2, nơi diễn ra quá trình dãn nở nhiệt và sinh công Sau khi ra khỏi tuốc bin, hơi đi vào bình ngưng 3, tại đây nó nhả nhiệt đẳng áp, ngưng tụ thành nước và được bơm trở về lò, lặp lại chu trình này.

Hình 2.5 trình bày sơ đồ thiết bị và đồ thị T-s của chu trình hỗn hợp Đồ thị T-s của chu trình nhiệt cho thấy nhiệt lượng từ nhiên liệu cháy được phân chia thành hai phần: một phần được sử dụng để sản xuất hơi nước trong thiết bị sinh hơi 1, và phần còn lại được cung cấp cho tuốc bin khí 6.

- a-b quá trình nén đoạn nhiệt không khí trong máy nén khí 7

- b-b quá trình cấp nhiệt (cháy) đẳng áp trong buồng đốt 1

- c-d quá trình dãn nở đoạn nhiệt sinh công trong tuốc bin khí 6

- d-a quá trình nhả nhiệt đẳng áp trong bộ hâm nước 5

- 3-4-5-1 quá trình nước nhận nhiệt đẳng áp trong bộ hâm 5 và buồng đốt 1

- 1-2, 2-2, 2-3 là các quá trình dãn nở đoạn nhiệt trong tuốc bin, ngƣng đẳng áp trong bình ngƣng, nén đoạn nhiệt trong bơm nhu ở chu trình Renkin

Hiệu suất chu trình là:

Trong đó: l là công của tuốc bin hơi và tuốc bin khí, l=l h +l k q 1 là nhiệt lƣợng nhiên liệu tỏa ra khi cháy trong buồng đốt 1

Các công nghệ mới ứng dụng trong nhà máy nhiệt điện

2.4.1 Công nghệ mới cho nhà máy nhiệt điện đốt than

Nhiệt điện than vẫn đóng vai trò quan trọng trong sản xuất điện năng, do đó, việc giảm tiêu thụ than, lượng tro xỉ và phát thải khí nhà kính, đồng thời nâng cao hiệu suất lò đốt mà không cần thay đổi thiết bị tốn kém là những yêu cầu cấp bách hiện nay.

Hiện nay, các nhà máy nhiệt điện than ở Việt Nam chủ yếu sử dụng than antraxit, một loại than khó cháy, trong suốt vòng đời hoạt động Mặc dù việc trộn than antraxit với than nhập khẩu cùng loại không gặp khó khăn về kỹ thuật, nhưng việc kết hợp với loại than khác có thể gây ra vấn đề lớn do quy mô và độ phức tạp của hệ thống nhà máy Hiện tại, chưa có nhiều nghiên cứu về vấn đề này, tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra giải pháp trộn than antraxit của Việt Nam với than á bitum từ Indonesia, giúp cải thiện hiệu suất sử dụng than.

Cách làm mới trong các nhà máy nhiệt điện Việt Nam giúp giảm chi tiêu cho than nội địa bằng cách giảm lượng tro, cải thiện quá trình cháy và tăng hiệu suất cháy từ 2-5% Quy trình công nghệ này không yêu cầu cải tạo lớn, chỉ cần trang bị thêm thiết bị trộn, mang lại lợi ích rõ rệt cho việc tiêu thụ than.

Hiện nay, phần lớn các nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) trong nước sử dụng nguồn nhiên liệu là than Năm 2015, ngành Điện cần khoảng 33,3 triệu tấn than, đến năm

Dự báo nhu cầu than toàn cầu sẽ đạt 79 triệu tấn vào năm 2020 và 116 triệu tấn vào năm 2025 Mặc dù nhu cầu ngày càng tăng, sản lượng than trong nước chỉ đạt 32 triệu tấn mỗi năm, dẫn đến việc nhập khẩu than, chủ yếu là loại bitum hoặc á bitum, trở nên cần thiết Tuy nhiên, việc nhập khẩu than cũng gặp phải một số khó khăn.

Các nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) ở Việt Nam chủ yếu sử dụng than antraxit nội địa, được chỉ định từ khâu thiết kế và bắt buộc sử dụng trong suốt vòng đời hoạt động Việc kết hợp than antraxit và than á bitum (hoặc bitum) cần được xem xét về tính tương thích với hệ thống thiết bị hiện có Ngoài ra, sự phối trộn than nội địa và ngoại nhập có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của nhà máy Để giải quyết những vấn đề này, Bộ Khoa học và Công nghệ đã giao cho Hội Khoa học kỹ thuật nhiệt Việt Nam thực hiện đề tài nghiên cứu thuộc Chương trình KH&CN trọng điểm cấp Nhà nước "Nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ năng lượng" (KC05) Đề tài KC05.25/11/15, do PGS.TS Trương Duy Nghĩa làm chủ nhiệm, đã đạt kết quả xuất sắc, với mục tiêu đưa ra các giải pháp kỹ thuật cho việc đốt than trộn tại các NMNĐ có công suất từ 200MW trở lên, xác định tỷ lệ phối trộn hợp lý.

21 lý các nguồn than (nội, ngoại), đạt hiệu quả cao theo hướng ổn định về chủng loại và chất lƣợng than

Theo PGS.TS Trương Duy Nghĩa, hầu hết các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam sử dụng than antraxit, loại than khó cháy Việc trộn than antraxit với than nhập khẩu cùng loại không gây khó khăn về kỹ thuật, nhưng việc trộn với than khác loại có thể tạo ra vấn đề lớn Điều này là do việc thay đổi chủng loại than sẽ ảnh hưởng đến đặc tính của than thiết kế, đòi hỏi phải nghiên cứu kỹ lưỡng về khả năng đáp ứng của thiết bị và chế độ vận hành của nhà máy trong điều kiện mới.

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện thí nghiệm tại Công ty CP Nhiệt điện Ninh Bình, áp dụng phương pháp trộn than á bitum nhập khẩu từ Indonesia với than antraxit Việt Nam Mục tiêu của nghiên cứu là giảm các chỉ tiêu xấu của than nội địa, như lượng tro xỉ và carbon trong tro, nhằm cải thiện quá trình cháy, tăng hiệu suất cháy và giảm lượng than tiêu thụ Quá trình thử nghiệm đã hoàn tất với việc đốt than ngoại nhập ở các tỷ lệ 5, 10, 20, và 30%, cùng với việc điều chỉnh chế độ đốt cháy ở lò hơi.

Trong quá trình đốt than trộn, không xảy ra hiện tượng bất thường và hệ thống thải tự động của lò hơi hoạt động ổn định Hàm lượng NOx trong khói giảm từ 10-15% so với việc đốt 100% than nội địa, trong khi hiệu suất lò hơi tăng từ 2 đến 5% và đồng đều hơn giữa các phụ tải Đặc biệt, thí nghiệm với tỷ lệ 10-20% than ngoại nhập cho thấy hiệu suất cao nhất đạt trung bình 84-85%, so với 82% khi đốt hoàn toàn bằng than nội địa, theo ông Trịnh Văn Đoàn, Giám đốc Công ty cổ phần Nhiệt điện Ninh Bình.

Xét về khía cạnh kinh tế, hiệu suất của nhà máy được cải thiện từ 1 đến 5%, trong khi lượng tro thải giảm 10% và hàm lượng carbon trong tro cũng giảm 10% Ngoài ra, tổn thất do than chưa cháy hết giảm từ 2 đến 5% Các nhà khoa học nhận định rằng nếu tất cả các nhà máy nhiệt điện đốt than áp dụng những biện pháp này, sẽ mang lại nhiều lợi ích kinh tế và môi trường.

Tại Công ty CP Nhiệt điện Ninh Bình, việc tăng hiệu suất phát điện sẽ mang lại lợi ích lớn Nếu tiết kiệm chỉ 1% nhiên liệu, Việt Nam có thể giảm tiêu thụ 333.000 tấn than, tương đương với khoảng 33 triệu USD (với giá trung bình 100 USD/tấn).

2.4.2 Tiềm lực cho nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu khí thiên nhiên hóa lỏng

LNG (Khí thiên nhiên hóa lỏng) là khí thiên nhiên được làm lạnh xuống âm 162 độ C để hóa lỏng, sau khi đã loại bỏ các tạp chất Thành phần chính của LNG là methane.

Do chỉ chiếm 1/600 thể tích so với khí thiên nhiên ở điều kiện tiêu chuẩn (15 độ

LNG có thể được vận chuyển với khối lượng lớn bằng tàu vượt đại dương có tải trọng từ 140.000 đến 260.000 m3, từ nơi sản xuất đến nhiều quốc gia trên thế giới, dưới điều kiện áp suất 1 atm.

Sau khi LNG được vận chuyển đến nơi tiêu thụ, nó sẽ được chuyển đổi trở lại trạng thái khí thông qua thiết bị tái hóa Sau đó, khí sẽ được bơm vào hệ thống đường ống để cung cấp cho các hộ tiêu thụ.

LNG được sử dụng như khí khô trong nhiều ứng dụng, bao gồm phát điện, sản xuất phân đạm, methanol, DME, cũng như cung cấp năng lượng cho các hộ công nghiệp và khu đô thị.

LNG đƣợc chuyên chở bằng xe bồn, tàu hỏa, tàu ven biển có dung tích từ 2500-

12000 m3 đến những hộ tiêu thụ ở xa đường ống dẫn khí, các thị trường khu vực ven biển, các đảo ngoài khơi

Hiện nay, LNG đang trở thành nguồn năng lượng quan trọng và được giao dịch phổ biến trên thị trường quốc tế, đặc biệt ở các quốc gia như Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan, Trung Quốc, các nước châu Âu và Bắc Mỹ Các quốc gia xuất khẩu LNG hàng đầu thế giới chủ yếu nằm ở khu vực Trung Đông, Australia và Nga.

Ảnh hưởng của nhà máy nhiệt điện than và khí đến môi trường

2.5.1 Những bãi chứa tro xỉ khổng lồ đang hình thành:

Theo tính toán, để có công suất 36.000MW vào năm 2020, các nhà máy nhiệt điện cần

67 triệu tấn than/năm, và để làm ra 75.000MW công suất năm 2030, các nhà máy nhiệt điện cần tới 171 triệu tấn than/năm

Tổng lượng tro xỉ từ các nhà máy nhiệt điện than tại Việt Nam chiếm từ 25 đến 60% lượng than nhiên liệu, phụ thuộc vào chất lượng than và công nghệ đốt cháy Điều này đặt ra thách thức lớn về môi trường, đặc biệt là việc quản lý các bãi chứa tro xỉ rộng lớn, trải dài từ miền Bắc, miền Trung đến Đồng bằng sông Cửu Long, cần được giải quyết trước năm 2030.

Theo dự báo, đến năm 2020, với 43 nhà máy, lượng tro xỉ thải ra sẽ rất lớn, cần khoảng 600 nghìn ha để chứa hết lượng phế thải, tương đương với việc mất diện tích của một xã sau bốn năm Ông Nguyễn Thế Hiệp, Trưởng Phòng Kỹ thuật Nhà máy nhiệt điện Mông Dương 1 thuộc Tổng Công Ty Phát điện 3 (GENCO 3), cho biết rằng tro xỉ của Nhà máy này vẫn chưa được xử lý hiệu quả.

Có nhiều người quan tâm đến việc mua sản phẩm, nhưng không ai thực sự tiến hành giao dịch Một số người đã đến thảo luận, tuy nhiên khi biết rằng trong tro xỉ có chứa đá vôi và nước biển, họ đã từ chối và không lấy mẫu thử.

Nhà máy này bao gồm 2 tổ máy với tổng công suất 1.080MW và tổng vốn đầu tư khoảng 33.614 tỷ đồng Sử dụng công nghệ nhiệt điện ngưng hơi truyền thống với thông số hơi cận tới hạn và lò hơi đốt than kiểu CFB, dự án do Hyundai Engineering and Construction Co.Ltd (Hàn Quốc) thực hiện Đây là một trong những công trình năng lượng quan trọng tại miền Bắc, tuy nhiên, mỗi năm nhà máy thải ra khoảng 1 triệu tấn tro xỉ.

Nhà máy hiện có một bãi xỉ được thiết kế với sức chứa khoảng 4 năm, với tổng mức đầu tư xây dựng khoảng 170 tỷ đồng cho giai đoạn 1, cao 24m so với mực nước biển Khi đạt đến hạn đổ thải, bãi thải này sẽ được xử lý bằng cách lấp đất và trồng cây xanh.

Hình 2.6 Bể chứa tro xỉ của Nhà máy nhiệt điện Mông Dương 1 có tổng vốn đầu tư

Công ty Nhiệt điện Duyên Hải đã chính thức hoạt động, tuy nhiên vẫn chưa có kế hoạch xử lý nguồn tro xỉ thải Trung tâm điện lực Duyên Hải được quy hoạch với bốn nhà máy, tổng công suất lên đến khoảng 4.000 MW, trong đó đã đưa vào vận hành 1.245 MW.

Mặc dù có khoảng 80 ha dành cho bãi thải của bốn nhà máy, nhưng chỉ sau 3-4 năm, khu vực này đã trở nên quá tải Giám đốc Công ty Nhiệt điện Duyên Hải, Nguyễn Hữu Phiên, cho biết nhà máy được thiết kế theo công nghệ thải tro xỉ khô.

Tro bay được thu gom tại nhà máy và chuyển đến các xi-lô gần bãi thải qua hệ thống đường ống nén khí, giúp hạn chế bụi Hiện tại, công ty tiếp tục nén chặt và chôn lấp tro xỉ trong bãi thải Tuy nhiên, nếu không có biện pháp xử lý và sử dụng hợp lý, tro xỉ sẽ tích tụ, gây nguy hại cho môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Câu chuyện về ô nhiễm do tro xỉ từ Nhà máy Nhiệt điện Vĩnh Tân 2 đã gây bức xúc trong cộng đồng, làm nổi bật vấn đề xử lý và tận dụng hiệu quả tro xỉ của các nhà máy nhiệt điện Việc chôn lấp tro xỉ chỉ nên được xem là phương án cuối cùng và là giải pháp cổ điển khi chưa tìm ra phương án khả thi hơn.

Theo báo cáo mới nhất của Bộ Xây dựng, chỉ khoảng 30% (tương đương 5 triệu tấn) lượng tro xỉ và thạch cao được xử lý và sử dụng, trong khi 70% còn lại đang gây áp lực lớn lên các bãi chứa và vấn đề bảo vệ môi trường.

Theo Bộ, lượng tro xỉ tích lũy từ các nhà máy điện than trong năm 2016 đạt khoảng 23 triệu tấn, và dự kiến sẽ tăng lên 109 triệu tấn vào năm 2020.

Bộ Xây dựng cảnh báo rằng nếu không có biện pháp xử lý triệt để, lượng chất thải này sẽ gây áp lực nghiêm trọng lên công tác bảo vệ môi trường trong tương lai.

Vào ngày 22 tháng 12 năm 2008, sự cố tràn tro xỉ tại nhà máy nhiệt điện than Kingston thuộc Tennessee Valley Authority đã làm dấy lên mối quan tâm của người dân Mỹ về quản lý các bãi thải tro xỉ từ các nhà máy nhiệt điện Sự kiện này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc quản lý đúng cách các chất thải này nhằm tránh những tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Vào thời điểm đó, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA) không xem tro nhà máy điện là chất thải “nguy hiểm”, cho rằng tro than không nằm trong phạm vi điều chỉnh của chất thải nguy hiểm theo Phần C của Luật Bảo tồn và Khôi phục Tài nguyên Điều này để lại bài học quan trọng cho chúng ta cần suy ngẫm.

Tro xỉ đã được ứng dụng rộng rãi trên toàn cầu, với các ứng dụng chính được phân thành ba nhóm: ứng dụng công nghệ thấp, ứng dụng công nghệ trung và ứng dụng công nghệ cao Những ứng dụng này không chỉ giúp tối ưu hóa nguồn tài nguyên mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

XÂY DỰNG HÀM CHI PHÍ CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÁT ĐIỆN

Chi phí hệ thống phát điện thông thường

The overall cost of electricity generation, C E, comprises three main components: capital-installation cost (C&I), operation-maintenance cost (O&M), and fuel cost (C F) Typically, electricity generation costs are expressed in units of $/kWh or cents/kWh.

Tỉ lệ ba loại chi phí này trên tổng chi phí phát điện thay đổi khác nhau tùy theo loại nhà máy, công nghệ sử dụng

Chi phí vốn-lắp đặt (C&I) chủ yếu bị ảnh hưởng bởi giá thiết bị, công nghệ và công suất Ngược lại, chi phí vận hành-bảo dưỡng (O&M) lại phụ thuộc nhiều vào hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống.

Chi phí nhiên liệu trong hệ thống phát điện phụ thuộc vào hiệu suất và tỉ số biến đổi nhiệt của thiết bị, trong khi thiết kế vận hành, bảo dưỡng và mạng lưới cung cấp linh kiện cũng đóng vai trò quan trọng Đối với các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, mặt trời, thủy triều và địa nhiệt, chi phí nhiên liệu gần như không tồn tại do đây là nguồn năng lượng tự nhiên vô tận.

Chi phí đầu tư cho các dự án nhiệt điện than là cao nhất, đạt khoảng 1200 USD/kW cho các nhà máy hiện đại, có công suất lớn và mức độ ô nhiễm thấp Trong khi đó, các nhà máy nhiệt điện khí có chi phí đầu tư khoảng 600 USD/kW Thời gian xây dựng các dự án nhiệt điện cũng khá dài, với nhiệt điện than mất từ 3 đến 5 năm tùy quy mô, còn nhiệt điện khí chỉ khoảng 2 năm.

Bảng 3.1: Chi phí cố định dầu tƣ nhiệt điện

Chi phí vốn/kW Số năm xây dựng

Chi phí nguyên liệu là một yếu tố quan trọng trong các dự án nhiệt điện So với thủy điện, nhiệt điện không chỉ cần đầu tư ban đầu mà còn phải tính đến chi phí nguyên liệu Nhiệt điện than có vốn đầu tư cao nhưng chi phí nguyên liệu lại thấp hơn nhiều so với nhiệt điện khí Cụ thể, chi phí sản xuất 1 kWh điện từ than chỉ khoảng 1,4 cents, trong khi chi phí sản xuất 1 kWh điện từ khí lên tới 4 cents, tức là cao gấp gần 3 lần so với điện than.

Bảng 3.2: Chi phí nguyên liệu nhiệt điện

Chi phí nguyên liệu cent/kWh Giá nguyên liệu

BTU) Phân tích chi phí:

Theo quyết định số 2014/QĐ-BCN, nhà máy nhiệt điện than có thời gian vận hành 1 năm từ 6500 đến 7000 giờ, trong đó giả định nhiệt điện hoạt động 6500 giờ/năm Tại Việt Nam, việc sử dụng các nguồn điện được đánh giá dựa trên giá thành sản xuất, với nhiệt điện khí có thể vận hành ở mức 6000 giờ/năm và nhiệt điện dầu thường chỉ được sử dụng vào giờ cao điểm Dưới đây là bảng tính chi phí cố định bình quân để sản xuất 1 kWh điện dựa trên các giả định này.

Bảng 3.3 Chi phí vốn trên mỗi kWh nhiệt điện

Chi phí cố định trên mỗi kW và kWh

Chi phí vốn trên kW

Chi phí cố định tính bằng cent/kWh

Để tính tổng chi phí phát điện của nhà máy nhiệt điện khí 600 MW, cần kết hợp chi phí nguyên liệu và chi phí vận hành - quản lý, cùng với 10% chi phí cố định.

Bảng 3.4: Tổng chi phí trên mỗi kWh nhiệt điện

Tổng chi phí phát điện (tính bằng cent/kWh)

Nhiên liệu Vận hành – quản lý

So sánh chi phí đầu tƣ, giá thành MWh của các loại phát điện

Dữ liệu chi phí từ hơn 130 nhà máy điện cho thấy sự đa dạng trong nguồn năng lượng, bao gồm 27 nhà máy đốt than, 23 nhà máy đốt gas, 13 nhà máy hạt nhân, 19 nhà máy năng lượng gió, 6 nhà máy năng lượng mặt trời, 24 nhà máy cơ - nhiệt kết hợp (CHP) và 10 nhà máy sử dụng nhiên liệu hoặc công nghệ khác Sự quan tâm ngày càng tăng của các quốc gia đối với nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió và các nhà máy CHP, được phản ánh qua các nghiên cứu này.

Các tính toán được thực hiện dựa trên các phương pháp tham khảo từ các nghiên cứu trước, cụ thể là các phương pháp tiếp cận chi phí vòng đời Những giả định chung về kỹ thuật và kinh tế được sử dụng, bao gồm thời gian vòng đời 40 năm, trung bình tải 85% cho nhà máy điện tải nền và lãi suất chiết khấu 5% và 10%.

Chi phí phát điện được xác định là chi phí busbar tại trạm biến áp, không bao gồm chi phí truyền tải và phân phối Ngoài ra, các chi phí phát sinh liên quan đến khí nhà kính cũng không được tính vào các chi phí đã nêu.

Tự do cạnh tranh trong thị trường năng lượng nhằm loại bỏ các quy định có nguy cơ độc quyền, giúp giảm thiểu việc chuyển chi phí và rủi ro từ nhà đầu tư đến người tiêu dùng và người nộp thuế Hiện nay, các nhà đầu tư phải đối mặt với nhiều rủi ro và quản lý hơn, đặc biệt khi giá cả trong tương lai không chắc chắn Họ cần chịu trách nhiệm về các quyết định đầu tư, điều này làm gia tăng yêu cầu về tỷ lệ lợi nhuận và rút ngắn thời gian thu hồi vốn Các nhà đầu tư tư nhân hiện yêu cầu mức giá thực tế cao hơn từ 5% đến 10%, cùng với thời gian phục hồi vốn ngắn hơn so với khoảng 30 đến 40 năm trước đây.

Công nghệ phát điện bằng than đá

Hình 3.2 Nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả

Hầu hết các nhà máy điện chạy than đá có chi phí xây dựng dao động từ 1.000 đến 1.500 USD/kWh, với thời gian xây dựng khoảng bốn năm Giá nhiên liệu như than đá, than nâu hoặc lignite cho các nhà máy điện phụ thuộc vào phản hồi kinh tế trong từng giai đoạn và khác nhau giữa các quốc gia.

Với lãi suất chiết khấu 5%, chi phí phát điện từ các nhà máy điện than đá dao động từ 25 đến 50 USD/MWh Trong đó, chi phí đầu tư chỉ chiếm dưới một phần ba tổng chi phí, trong khi chi phí vận hành và bảo trì (O&M) chiếm 20% và chi phí nhiên liệu chiếm 45%.

Với lãi suất chiết khấu 10%, chi phí phát điện chuẩn của các nhà máy điện chạy than dao động từ 35 đến 60 USD/MWh Trong đó, chi phí đầu tư chiếm khoảng 50%, chi phí bảo trì và vận hành (O&M) chiếm 15%, và chi phí nhiên liệu chiếm 35% tổng chi phí.

Công nghệ phát điện bằng gas

Dự án Nhà máy điện Nhơn Trạch 3 và 4 cho thấy rằng chi phí xây dựng các nhà máy điện chạy ga thường dao động từ 400 đến 800 USD/kWh, thấp hơn so với các nhà máy chạy than và hạt nhân Thời gian xây dựng nhanh chóng, với thời gian hoàn vốn từ hai đến ba năm Chi phí bảo trì và vận hành (O&M) của nhà máy điện chạy gas cũng thấp hơn đáng kể so với nhà máy chạy than hoặc hạt nhân Giá gas vào năm 2010 được ước tính từ 3,5 đến 4,5 USD/GJ, và có xu hướng gia tăng Với lãi suất chiết khấu 5%, chi phí phát điện của nhà máy điện chạy gas dao động từ 37 đến 60 USD/MWh, thường dưới 55 USD/MWh Chi phí đầu tư chỉ chiếm ít hơn 15% tổng chi phí phát điện, trong khi chi phí O&M chiếm ít hơn 10% Chi phí nhiên liệu trung bình gần 80% tổng chi phí phát điện, có thể lên đến gần 90% trong một số trường hợp, cho thấy tầm quan trọng của giả định giá gas tại thời điểm khai thác.

43 leo thang là các nhân tố định hướng trong việc ước lượng chi phí ngưỡng của việc phát điện bằng gas

Giá gas hiện nay đang ở mức tương đối cao Những dự đoán giá gas vào năm

Thuật toán di truyền

Chi phí sản xuất năng lượng điện (MW) bao gồm ba nguồn chính: chi phí xây dựng cơ sở, chi phí sở hữu và chi phí hoạt động Trong đó, chi phí vận hành đóng vai trò quan trọng nhất, vì vậy, trọng tâm sẽ được đặt vào khía cạnh kinh tế của hoạt động này.

Công suất tối ưu (OPF) và bài toán kinh tế (ED) hay bài toán môi trường (EED) đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa và lập kế hoạch cho các hệ thống điện hiện đại Những vấn đề này thường xuyên được nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động và tính bền vững của hệ thống điện.

Các vấn đề được xây dựng bằng toán học nhằm tối ưu hóa chức năng mục tiêu như chi phí nhiên liệu, đồng thời đáp ứng các ràng buộc hoạt động Giải pháp cho những vấn đề này giúp tiết kiệm chi phí sản xuất, đặc biệt trong các nhà máy nhiên liệu hóa thạch Đường cong chi phí nhiên liệu thường được biểu diễn qua các hàm tuyến tính, bậc hai hoặc khối, và các tham số của chúng chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố như nhiệt độ môi trường và sự tổn hao của tổ máy phát điện Do đó, việc ước tính chính xác các thông số đường cong chi phí nhiên liệu là rất quan trọng.

Việc ước tính các tham số của hàm chi phí nhiên liệu cho đường cong chi phí thực tế là rất quan trọng để nâng cao độ chính xác của kết quả trong giải quyết các vấn đề về OPF hoặc ED Do đó, áp dụng một kỹ thuật ước tính mạnh mẽ và đáng tin cậy để xác định các thông số này là điều cần thiết.

3.3.1 Giải thuật di truyền (GA-Genetic Algorithm)

Thuật toán di truyền (GA) là một kỹ thuật tối ưu hóa dựa trên nguyên lý thích nghi tiến hóa của các quần thể sinh học theo học thuyết Darwin Phương pháp này thực hiện tìm kiếm ngẫu nhiên tối ưu bằng cách mô phỏng quá trình tiến hóa của con người và sinh vật, với tư tưởng chính là phản ánh các hiện tượng tự nhiên, bao gồm sự kế thừa và cuộc đấu tranh sinh tồn.

Giải thuật di truyền (GA) là một phương pháp tối ưu hóa độc đáo, kết hợp giữa tìm kiếm trực tiếp và ngẫu nhiên Khác với các phương pháp tìm kiếm khác, GA duy trì một quần thể các giải pháp, bắt đầu từ một tập hợp giả thuyết ban đầu Các cá thể trong quần thể hiện tại sẽ tạo ra thế hệ tiếp theo thông qua lai ghép và đột biến, tương tự như quá trình tiến hóa tự nhiên Mỗi cá thể được đánh giá dựa trên khả năng thích nghi, và những cá thể phù hợp nhất sẽ được chọn lọc để làm hạt giống cho thế hệ mới Những cá thể phát triển tốt hơn và thích ứng với môi trường sẽ tồn tại, trong khi những cá thể kém hơn sẽ bị loại bỏ.

GA có khả năng tìm ra thế hệ mới với độ thích nghi cao hơn Phương pháp này giải quyết các bài toán quy hoạch toán học thông qua ba quá trình cơ bản: lai tạo (crossover), đột biến (mutation) và chọn lọc (selection) cho các cá thể trong quần thể Việc áp dụng GA yêu cầu xác định rõ ràng các tham số cần thiết.

Khởi tạo quần thể ban đầu là bước quan trọng trong quá trình tối ưu hóa, trong đó hàm đánh giá các lời giải được xác định dựa trên mức độ thích nghi Hàm mục tiêu đóng vai trò then chốt trong việc hướng dẫn quá trình tìm kiếm, trong khi các toán tử di truyền giúp tạo ra hàm sinh sản, từ đó phát triển các thế hệ giải pháp tối ưu hơn.

Sơ đồ thuật toán của GA:

Thuật toán di truyền (GA) là một phương pháp tìm kiếm thích ứng được áp dụng trong tối ưu hóa và học tập, dựa trên nguyên lý chọn lọc tự nhiên và di truyền GA tạo ra các cấu trúc chuỗi mới từ các chuỗi tồn tại, khai thác thông tin lịch sử để tìm kiếm các giải pháp tối ưu Khác với các kỹ thuật tối ưu hóa truyền thống, GA làm việc với một tập hợp các chuỗi thay vì chỉ một điểm duy nhất và sử dụng mã hóa tham số Kích thước của dân số trong GA thường dao động từ 50 đến 1.000, tùy thuộc vào độ chính xác cần thiết, và kích thước này có thể thay đổi trong suốt quá trình Mỗi chuỗi có thể được chia thành nhiều chuỗi con, tương ứng với số lượng biến, và mã hóa nhị phân thường được sử dụng GA bao gồm ba hoạt động chính: sinh sản, cắt chéo và đột biến, mỗi chuỗi trong dân số trải qua các bước này trước khi tạo ra một tập hợp mới.

Hàm khả năng (FF) là yếu tố quan trọng trong thuật toán di truyền (GA), giúp xác định xem giải pháp tiềm năng có thể đóng góp cho thế hệ tương lai hay không thông qua quá trình sinh sản FF cung cấp thước đo chất lượng cho các giải pháp và cần phân biệt giữa hiệu suất của các chuỗi khác nhau Trong nghiên cứu này, chức năng thể dục được thiết lập nhằm giảm thiểu tối đa lỗi cá nhân.

Trong đó  là một hằng số nhỏ (= 0.00001) để tránh các vấn đề tràn nếu (e) đi đến 0

Mỗi chuỗi trong dân số được đánh giá bằng cách sử dụng thuật toán FF trong thời gian tìm kiếm Sau khi đánh giá, các chuỗi được chọn ngẫu nhiên từ dân số cũ và mô phỏng theo xác suất do cha/mẹ xác định Việc lựa chọn cha mẹ có thể được thực hiện qua nhiều phương pháp khác nhau.

Crossover là một quá trình di truyền quan trọng, trong đó các thành viên của quần thể mới được hình thành thông qua việc giao phối ngẫu nhiên Trong quá trình này, mỗi cặp sẽ trao đổi một phần bit, với vị trí trao đổi được chọn ngẫu nhiên Kết quả là tạo ra những chuỗi gen mới, dẫn đến sự hình thành quần thể mới Crossover có thể diễn ra tại một vị trí duy nhất hoặc tại nhiều vị trí khác nhau trong chuỗi gen.

Sau khi giao nhau, dân số trải qua quá trình di truyền gọi là đột biến, trong đó các bit được chọn ngẫu nhiên trong chuỗi được thay đổi từ 0 thành 1 và ngược lại Quá trình này diễn ra với xác suất đã được xác định trước, thường là dưới 5% số bit bị thay đổi.

Quá trình đột biến đƣợc sử dụng để có thể xuất hiện tối ƣu

Trong những thập kỷ gần đây, nhiều nhà nghiên cứu đã tiến hành ước tính các thông số đường cong chi phí nhiên liệu bằng các kỹ thuật khác nhau, bao gồm mô hình thông thường, trí tuệ nhân tạo (AI) và các thuật toán tối ưu hóa heuristic hiện đại Nghiên cứu này tập trung vào việc áp dụng các kỹ thuật ước lượng tĩnh như sai số vuông tối thiểu (LSE) và phương pháp Gauss-Newton để giải quyết các bài toán ước lượng trong hệ thống điện.

Taylor và Huang đã thực hiện một nghiên cứu sử dụng phương pháp toán học đệ quy theo thứ tự để ước tính các đường cong chi phí của các đơn vị phát điện trong hệ thống nhiệt điện Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách tối ưu hóa chi phí trong quá trình phát điện.

Phương pháp bình phương bé nhất

Trong toán học và thực tiễn, chúng ta thường gặp các bài toán khảo sát và tính giá trị của hàm y = f(x) Tuy nhiên, không phải lúc nào chúng ta cũng có hàm số xác định, mà chỉ có các dữ liệu rời rạc x i tương ứng với giá trị y i Vấn đề là xác định giá trị của hàm tại các điểm chưa biết Một cách tiếp cận là xác định biểu thức hàm f(x) Nhiều bài toán thực tế cho thấy hàm có thể có dạng tuyến tính như y = ax + b hoặc y = ax² + bx + c Phương pháp bình phương bé nhất là một trong những phương pháp hiệu quả để giải quyết các bài toán này.

Giả sử có 2 đại lƣợng (vật lý, hoá học, …) x và y có liên hệ phụ thuộc nhau theo một trong các dạng đã biết sau:

. bx b y a x b y a bx cx tuyentinh y a b x c x y ae phituyen y a x

Để xác định giá trị của các tham số a, b, c, cần tính toán một số cặp giá trị tương ứng (xi, yi) thông qua thực nghiệm Sau đó, phương pháp bình phương bé nhất sẽ được áp dụng để tìm ra các tham số này.

Các cặp số (x₁, y₁), (x₂, y₂), …, (xₙ, yₙ) thu được từ thí nghiệm chỉ là những giá trị gần đúng của x và y, do đó chúng không hoàn toàn là nghiệm chính xác của phương trình y = ax + b.

Gọi ε i sai số tại các điểm x i i y i a bx i

Minh họa ε i lên đồ thị:

Khi đó tổng bình phương các sai số:

Mục đích của phương pháp này là xác định a, b sao cho S là bé nhất Như vậy a, b là nghiệm hệ phương trình:

Giải hệ phương trình ta được: a, b

Gọi ε i sai số tại các điểm x i i y i a bx i

Khi đó tổng bình phương các sai số: 2

Các hệ số a, b, c xác định sao cho S là bé nhất Nhƣ vậy a, b, c là nghiệm của hệ phương trình:

Giải hệ phương trình ta được a, b, c

Bài toán kiểm tra

Hàm chi phí nhiên liệu tuyến tính được mô tả bởi phương trình y = a0 + a1x1 + a2x2, được sử dụng để ước tính các tham số cho các nhà máy nhiệt điện khác nhau, bao gồm các nhiên liệu như than và khí đốt Mỗi nhà máy điện có 5 máy phát điện với công suất 10, 20, 30, 40 và 50 MW Tính giá trung bình F để đánh giá hiệu quả chi phí nhiên liệu.

 Nhà máy nhiệt điện than:

 bth/p: Suất tiêu hao than ứng với mức công suất p (g/kWh)

 7000 (kcal/kg): Nhiệt trị than tiêu chuẩn

 Qth: Nhiệt trị than trung bình

 b FO : Suất tiêu hao dầu ứng (g/kWh)

 c VLP : Chi phí vật liệu phụ

 Nhà máy nhiệt điện chạy khí LNG chu trình đơn: p VLP

 bp: Suất tiêu khí ứng với mức công suất P (BTU/kWh)

 G: Giá nhiên liệu (đồng/BTU)

 c VLP : Chi phí vật liệu phụ (đ/kWh)

Bảng 3.5.1 Chi phí ứng với từng tổ máy [6]:

Các hệ số ước tính của hàm chi phí (a 0 , a 1 , a 2 ) với phương pháp bình phương bé nhất đƣợc tính toán qua các số liệu sau: i x i x i 2 x i 3 x i 4 y i x y i i x y i 2 i

Thay các giá tri ̣ tìm được ở Than (1) vào (3.13) ta có hệ phương trình:

Suy ra hàm chi phí nhiên liệu đối với nhà máy nhiệt điện than:

( ) 95.856 7.3736 0.0466 2 uoctinh T f x   x x Đường cong có dạng:

Thay các giá tri ̣ tìm được ở Khí (2) vào (3.13) ta có hệ phương trình:

Suy ra hàm chi phí nhiên liệu đối với nhà máy nhiệt điện khí LNG:

( ) 101.1 7.8814 0.0491 2 uoctinh K f x   x x Đường cong có dạng:

Để xác định giá trị chi phí nhiên liệu ước tính F(ước tính) cho hai loại nhiên liệu, ta thay thế giá trị P vào từng hàm chi phí Tiếp theo, ta tính sai số tại mỗi đơn vị P bằng công thức ε = F ước tính - F thực tế Các giá trị được tính toán được trình bày trong bảng 3.5.2.

Bảng 3.5.2 trình bày dữ liệu chi phí nhiên liệu thực tế cho mỗi đơn vị, được ước tính thông qua phương pháp bình phương bé nhất.

F(ƣớc tính) (GJ/h)   F uoctinh  F thucte

Từ bảng 3.5.2, tổng sai số đối với than là 14.208, nhỏ hơn tổng sai số đối với khí là 14.216 Điều này dẫn đến việc vẽ hình minh họa 3.5.1, thể hiện sai số chi phí của nhà máy nhiệt điện than và khí dựa trên chi phí thực tế F(thực tế).

Hình 3.5.1 Sai số chi phí của nhà máy nhiệt điện nhiên liệu than và khí theo phương pháp bình phương bé nhất

Theo bảng 3.5.3, tổng sai số đối với than là 15.6553, nhỏ hơn tổng sai số đối với khí là 20.328 Dựa vào đó, hình minh họa 3.5.2 thể hiện sai số chi phí của nhà máy nhiệt điện than và khí theo chi phí thực tế F (thực tế).

Dữ liệu chi phí nhiên liệu thực tế cho mỗi đơn vị được trình bày trong Bảng 3.5.3, với các ước tính chi phí nhiên liệu đã được tính toán theo thuật toán GA.

F(ƣớc tính) (GJ/h)   F uoctinh  F thucte

Hình 3.5.2Sai số chi phí của nhà máy nhiệt điện nhiên liệu than và khí theo giải thuật

So sánh việc giải bài toán chi phí cho nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu than và khí, thuật toán GA cho thấy hiệu quả vượt trội Cụ thể, tổng sai số chi phí thực tế và ước tính khi sử dụng than là 15.6553, nhỏ hơn so với 20.328 của nhiên liệu khí Phương pháp tính bình phương bé nhất cũng cho kết quả tương tự với 14.208 so với 14.216 Do đó, để đơn giản hóa việc tính toán chi phí, phương pháp bình phương bé nhất là lựa chọn hợp lý.