Đề tài Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy không khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải , tăng hiệu suất lò hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện công suấtđến 300MW

BỘ CƠNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CƠNG NGHỆ CẤP BỘ – NĂM 2007 Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” Ký hiệu: 151-07.RD/HĐ-KHCN 6820 25/4/2008 Hà Nội – Năm 2007 BỘ CƠNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CƠNG NGHỆ CẤP BỘ – NĂM 2007 Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” Ký hiệu: 151-07.RD/HĐ-KHCN Cơ quan chủ quản: Bộ Cơng Thương Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Cơ khí Chủ nhiệm đề tài: Phạm Văn Quế Hà Nội – Năm 2007 BỘ CƠNG NGHIỆP VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ BẢN VẼ THIẾT KẾ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CƠNG NGHỆ CẤP BỘ – NĂM 2007 Tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” Ký hiệu: 151-07.RD/HĐ-KHCN Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Nghiên cứu Cơ khí Chủ nhiệm đề tài: Phạm Văn Quế Hà Nội – Năm 2007 MỤC LỤC Trang Mở đầu 1 Chương I Tổng quan về thiết bị bộ sấy khơng khí trong tổ hợp thiết bị lị hơi 4 I.1 Tổng quan về thiết bị bộ sấy khơng khí trong lị hơi 4 I.2 Bộ sấy khơng khí kiểu thu nhiệt (bộ sấy tĩnh) 5 I.3 Bộ sấy khơng khí kiểu hồi nhiệt (bộ sấy quay) 11 Chương II Tính tốn - thiết kế bộ sấy khơng khí kiểu hồi nhiệt (dạng quay) 22 II.1 Mơ tả chung bộ sấy khơng khí kiểu hồi nhiệt (dạng quay) 22 II.2 Cơ sở tính tốn bộ sấy khơng khí 24 II.3 Các thơng số của bộ sấy khơng khí loại hồi nhiệt và tính tốn bộ sấy 28 II.3.1 Các thơng số kỹ thuật của lị hơi 28 II.3.2 Các thơng số chính của bộ sấy khơng khí 29 II.3.3 Tính tốn bộ sấy khơng khí kiểu quay 30 Chương III Cấu tạo và quy trình cơng nghệ chế tạo mơđul bộ sấy khơng khí 35 III.1 Cấu tạo bộ sấy khơng khí loại hồi nhiệt (dạng quay) 35 III.2 Sơ đồ cơng nghệ chế tạo khối trao đổi nhiệt trong bộ sấy khơng khí loại hồi nhiệt 39 III.2.1 Sơ đồ cơng nghệ chế tạo tấm trao đổi nhiệt 39 III.2.2 Sơ đồ cơng nghệ chế tạo tấm ngăn 40 III.2.3 Sơ đồ cơng nghệ chế tạo khung vỏ khối trao đổi nhiệt 41 III.2.4 Sơ đồ cơng nghệ lắp ráp tổ hợp khối trao đổi nhiệt 42 Chương IV Đề xuất giải pháp cơng nghệ giảm thiểu mức độ mịn hỏng của thiết bị 44 IV.1 Tình trạng của hiện tượng rị rỉ thiết bị dẫn đến mịn hỏng 44 IV.2 Giải pháp đề xuất 56 Kết luận và đề xuất 59 • Một số hình ảnh chế tạo 01 mơđun bộ sấy khơng khí 61 • Bản vẽ các khối trao đổi nhiệt 68 • Tài liệu tham khảo 69 • Phụ lục 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lị hơi (Tập 1, tập 2) – GS.TSKH. Nguyễn Sỹ Mão – Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật – Hà Nội 2006 2. Sổ tay tính nhiệt lị hơi (phương pháp tiêu chuẩn) – Nhà xuất bản Năng lượng quốc gia – Mockva 1957 (tiếng Nga) – Tái bản (tiếng Anh) 1998 3. Tính nhiệt lị hơi – Giáo trình Đại học Bách Khoa Hà Nội 1986 4. Quá trình buồng lửa – Giáo trình Đại học Bách Khoa Hà Nội 1986 5. Lý thuyết cháy và thiết bị cháy – GS.TSKH. Nguyễn Sỹ Mão – Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật – Hà Nội 2002 6. Sổ tay tính khí động lị hơi – Nhà xuất bản Năng lượng quốc gia – Mockva 1964 7. Lị hơi cơng nghiệp - Trường ĐH Điện lực: Đàm Xuân Hiệp, Bàng Bích, Đỗ Văn Thắng, Trương Ngọc Tuấn, Trương Huy Hồng - Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật 8. Truyền nhiệt - Đặng Quốc Phú, Trần Thế Sơn, Trần Văn Phú - Nhà xuất bản Giáo dục 9. Thiết bị trao đổi nhiệt - PGS.TS. Bùi Hải, TS. Dương Đức Hồng, TS. Hà Mạnh Thư - Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật 2001 THÀNH VIÊN NHĨM ĐỀ TÀI 1. Phạm Văn Quế Kỹ sư Gia cơng áp lực Viện Nghiên cứu Cơ khí 2. Phan Hữu Thắng Kỹ sư Cơng nghệ chế tạo máy Viện Nghiên cứu Cơ khí 3. Trương Mạnh Bình Kỹ sư chế tạo máy Cơng ty CP Nhiệt điện Phả Lại 4. Nguyễn Văn Thủy Kỹ sư điện Cơng ty CP Nhiệt điện Phả Lại 5. Đào Hữu Mạnh Kỹ sư Gia cơng áp lực Viện Nghiên cứu Cơ khí 6. Võ Văn Hịa Kỹ sư Gia cơng áp lực Viện Nghiên cứu Cơ khí 7. Ngơ Đăng Hồng Kỹ sư Cơng nghệ chế tạo máy Viện Nghiên cứu Cơ khí 8. Ngơ Hữu Hùng Kỹ sư Cơng nghệ hàn Viện Nghiên cứu Cơ khí Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 1 MỞ ĐẦU Bộ sấy khơng khí là một dạng thiết bị truyền nhiệt nằm ở phia sau lị hơi để tận dụng nhiệt của khĩi sau khi đi ra khỏi lị hơi, bộ sấy khơng khí cĩ tác dụng nâng cao hiệu suất hoạt động của lị hơi. Chính vì vậy mà bộ sấy khơng khí cịn được gọi là “bộ tiết kiệm than” trong các nhà máy nhiệt điện đốt than. Theo xu hướng phát triển của các nền kinh tế trên thế giới, nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng cao, từ đĩ phải xây dựng thêm nhiều nhà máy điện (trong đĩ cĩ cả các nhà máy nhiệt điện đốt than) để phục vụ đời sống và sản xuất. Trong nhà máy nhiệt điện, bộ sấy khơng khí tuy là thiết bị phụ nhưng là thiết bị phụ quan trọng, khơng thể thiếu và chiếm tỷ lệ đáng kể của nhà máy điện đốt than. Chính vì vậy, tại các nước phát triển và cĩ nền cơng nghiệp tiên tiến luơn nghiên cứu, thiết kế và cho ra đời các thiết bị cĩ tính tối ưu hơn nhằm làm tăng hiệu quả kinh tế. Hiện nay trên thế giới cĩ nhiều hãng chế tạo các thiết bị của lị hơi cho các nhà máy nhiệt điện. Các tập đồn lớn, các cơng ty chế tạo thiết bị cho lị hơi đã cĩ nhiều năm kinh nghiệm sản xuất như: ABB, FUJITSU, Điện khí Thượng Hải, các nhà máy thuộc Nga, Ukraine, ... Trên thế giới, bộ sấy khơng khí trong hệ thống trao đổi nhiệt hiện được nghiên cứu và chế tạo cĩ 2 dạng: dạng quay (kiểu hồi nhiệt) và dạng tĩnh (kiểu thu nhiệt). Với trình độ và năng lực chuyên mơn hố cao, việc nghiên cứu và chế tạo các chủng loại bộ sấy khơng khí được các nước cĩ nền khoa học phát triển trên thế giới khơng ngừng cải tiến, tối ưu hố để nâng cao hiệu suất thu hồi nhiệt khí thải lị hơi. Ở nước ta trong nhiều năm qua, đặc biệt là trong khoảng 10 năm trở lại đây ngành cơng nghiệp năng lượng đã được Nhà nước chú trọng đầu tư phát triển và đã cĩ những bước tiến đáng kể, tốc độ tiêu thụ năng lượng tăng 8,6%/năm trong các năm 1996-2000 và năm 2003 là 12% gĩp phần quan Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 2 trọng vào cơng cuộc đổi mới và phát triển đất nước. Hiện nay ở nước ta cũng như hầu hết các nước trên thế giới, lượng điện năng do các nhà máy nhiệt điện sản xuất chiếm tỷ lệ lớn trong tổng số điện năng sản xuất tồn quốc. Trong quá trình sản xuất của nhà máy điện, lị hơi là khâu quan trọng đầu tiên bao gồm rất nhiều các thiết bị, trong đĩ cĩ bộ sấy khơng khí. Ở Việt Nam hiện nay, cĩ nhiều nhà máy nhiệt điện đốt than đã được xây dựng và đi vào sản xuất từ nhiều năm qua như: - Nhà máy nhiệt điện Phả Lại 1 - Nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 - Nhà máy nhiệt điện Uơng Bí 1 - Nhà máy nhiệt điện Ninh Bình - Nhà máy nhiệt điện Uơng Bí 1 mở rộng, ... Tuy nhiên các thiết bị bộ sấy khơng khí tại các nhà máy này chủ yếu được nhập ở nước ngồi như: Nga, Thuỵ Điển, Trung Quốc, ... Việc chế tạo trong nước mới chỉ dừng ở mức độ chế tạo một số cụm chi tiết phần tử của thiết bị theo thiết kế của nước ngồi hoặc chế tạo theo mẫu sẵn cĩ để phục vụ cho việc bảo dưỡng, sửa chữa. Với tốc độ phát triển kinh tế như hiện nay, việc các nhà máy điện được xây dựng nhằm phục vụ cho sản xuất, kinh doanh và sinh hoạt là hướng phát triển quan trọng đã được Nhà nước hoạch định. Xuất phát từ yêu cầu thực tế và gĩp phần phát triển năng lực ngành Cơ khí chế tạo trong nước, nhĩm đề tài phịng Gia cơng áp lực - Viện Nghiên cứu Cơ khí đăng ký thực hiện kế hoạch khoa học cơng nghệ năm 2007 với đề tài này nhằm mục đích tạo tiền đề cho một hướng phát triển cơng nghệ chế tạo một trong các tổ hợp thiết bị quan trọng của lị hơi trong nhà máy nhiệt điện cĩ cơng suất đến 300MW, tiến tới thực hiện mục tiêu nội địa hố nhà máy nhiệt điện. Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 3 Sơ đồ tổng thể của một nhà máy nhiệt điện Chú thích: 1. Tháp làm mát 9. Tuabin trung áp 17. Bao hơi 25. Lọc bụi 2. Bơm nước 10. Điều tốc tuabin 18. Phễu tro 26. Quạt khĩi 3. Đường dây tải điện 11. Tuabin áp cao 19. Hơi quá nhiệt 27. Ống khĩi 4. Trạm biến áp 12. Khử khí 20. Quạt hút giĩ 5. Máy phát 13. Gia nhiệt nước 21.Bộ gia nhiệt lại 6. Tuabin áp thấp 14. Băng tải than 22. Khí vào 7. Bơm nước cấp 15. Phễu 23. Bộ hâm nước 8. Bình ngưng 16. Máy nghiền 24. Bộ sấy khí Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 4 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BỘ SẤY KHƠNG KHÍ TRONG TỔ HỢP THIẾT BỊ LỊ HƠI I.1 Tổng quan về thiết bị bộ sấy khơng khí trong lị hơi: Trong các lị hơi hiện đại, đặc biệt khi đốt các nhiên liệu ẩm, các bộ sấy khơng khí được sử dụng rộng rãi. Việc cấp khơng khí nĩng vào buồng đốt của lị hơi làm tăng nhanh sự bốc cháy nhiên liệu và tăng cường quá trình cháy nhiên liệu, giảm các tổn thất nhiệt do khơng khí cháy kiệt về hĩa học và cơ học. Lắp đặt bộ sấy khơng khí đồng thời cho phép giảm nhiệt độ khĩi thốt, điều này đặc biệt đáng kể khi gia nhiệt sơ bộ nước cấp trước khi đưa vào bộ hâm nước. Trong các lị đốt than bột, khơng khí nĩng được sử dụng để sấy nhiên liệu trong quá trình nghiền và vận chuyển than bột. Đồng thời việc lắp bộ sấy khơng khí địi hỏi bổ sung vốn đầu tư, tăng kích thước lị hơi và sức cản của tuyến khĩi và khơng khí của hợp thể. Bộ sấy khơng khí là bề mặt truyền nhiệt được đặt ở phía sau lị để tận dụng nhiệt của khĩi sau khi đi ra khỏi bộ quá nhiệt, cĩ tác dụng nâng cao hiệu suất của lị hơi. Ở đầu vào bộ sấy khơng khí, kim loại tại đây cĩ nhiệt độ nhỏ nhất so với các bề mặt truyền nhiệt của lị. Khi bố trí bộ sấy khơng khí (tức là bố trí bề mặt truyền nhiệt phần đuơi lị) cần biết trước nhiệt độ nước cấp và nhiệt độ khơng khí nĩng ra khỏi bộ sấy khơng khí. Các sản phẩm cháy đi vào bộ sấy khơng khí bị nguội đi chậm hơn so với khơng khí được sấy nĩng. Nguyên nhân của hiện tượng đĩ là do lượng sản phẩm cháy và nhiệt dung của chúng lớn hơn so với của khơng khí được sấy nĩng và để đạt được độ sấy nĩng khơng khí cao hơn với việc sấy trong một Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 5 cấp địi hỏi bề mặt đun nĩng của bộ sấy khơng khí cĩ kích thước cực lớn. Trong các lị hơi hiện đại, để đạt được độ sấy khơng khí cao người ta sử dụng hai cấp, bố trí bộ sấy khơng khí tách đơi, kẹp bộ hâm nước ở giữa. Nhiệt độ nước cấp được xác định trên cơ sở kinh tế và kỹ thuật vì ta biết rằng khi tăng nhiệt độ nước cấp lượng nhiệt hấp thu của bộ hâm nước giảm đi làm cho nhiệt độ của khĩi thải ra khỏi lị và tương ứng tổn thất q2 tăng lên, nghĩa là hiệu suất lị giảm đi. Nhưng mặt khác hiệu suất của chu trình tăng lên. Nhiệt độ khơng khí nĩng được xác định theo yêu cầu đảm bảo tốt sự bốc cháy của nhiên liệu nghĩa là càng cao càng tốt. Nhưng vì điều kiện làm việc của kim loại bộ sấy khơng khí, do hệ số tản nhiệt của khơng khí nhỏ hơn nhiều so với hơi và nước nên nhiệt độ vách ống thường lớn hơn nhiệt độ khơng khí nhiều, nghĩa là nếu chọn nhiệt độ khơng khí nĩng cao thì địi hỏi phải dùng những kim loại quý để chế tạo. Theo nguyên tắc truyền nhiệt, bộ sấy khơng khí được chia làm 2 loại: loại thu nhiệt và loại hồi nhiệt. Ở loại thu nhiệt, nhiệt truyền trực tiếp từ khĩi tới khơng khí qua vách kim loại. Ở loại hồi nhiệt khĩi đầu tiên đốt nĩng kim loại rồi sau đĩ nhiệt tích tụ tại đây được truyền cho khơng khí. Như vậy mỗi phần tử của bộ sấy khơng khí sẽ làm việc ở trang thái tiếp xúc lần lượt khi thì với khĩi, khi thì với khơng khí. I.2 Bộ sấy khơng khí kiểu thu nhiệt (bộ sấy tĩnh): Bộ sấy khơng khí kiểu thu nhiệt là loại được sử dụng rộng rãi hiện nay, về cấu tạo nĩ cĩ thể gồm các kiểu sau: kiểu bằng tấm thép, kiểu bằng ống gang, kiểu bằng ống thép. Bộ sấy khơng khí kiểu ống gồm 2 loại: ống gang và ống thép, trong đĩ bộ sấy khơng khí loại ống thép hiện nay hay được sử dụng. Nĩ gồm một hệ Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 6 thống ống đứng đặt so le và được giữ với nhau bởi hai mặt sàng, trong đĩ khĩi đi trong ống và khơng khí đi ngồi ống. Hình I-1. Bộ sấy khơng khí kiểu thu nhiệt (dạng tĩnh) Thơng thường hiện nay người ta chế tạo bộ sấy khơng khí theo từng cụm (khối). Khi lắp, chúng được nối với nhau tạo thành bộ sấy khơng khí. Kích thước của khối được chọn theo kích thước của đường khĩi đối lưu, thường một cạnh của khối lấy bằng chiều sâu của đường khĩi cịn cạnh kia được chọn trên cơ sở kích thước chiều rộng và số khối (ước số theo chiều rộng của lị). Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 7 Việc chia thành khối như vậy cho phép vận chuyển và lắp ráp dễ dàng. Hình vẽ sau trình bày sơ đồ chia bộ sấy khơng khí thành các khối và cách nối các khối với nhau. b) a) Hình I-2. Sơ đồ chia bộ sấy khơng khí thành các khối và cách nối các khối Khi nối, để ngăn ngừa khơng khí lọt vào trong đường khĩi qua các kẽ hở giữa các mặt sàng người ta đặt các vành bù. Giữa các khối của bộ sấy với khung lị cũng cần đặt vành bù. Vành bù là những lá tơn mỏng nối giữa mặt sàng và khung lị. Vì các ống của bộ sấy làm việc ở trạng thái khơng cĩ áp suất nên được chế tạo bằng các lá tơn 1,25÷1,5mm uốn và hàn mí lại. Đường kính ngồi của ống nằm trong phạm vi 25÷51mm. Hiện nay người ta cĩ xu hướng sử dụng hai loại đường kính 40mm và 51mm, dày 1,5mm. Mặt sàng của bộ sấy được tính theo điều kiện bền, thường đối với mặt trên và mặt dưới lấy bằng 15÷25mm. Để tăng độ cứng vững của bộ sấy, giữa hai mặt sàng trên và dưới cịn đặt mặt sàng trung gian, cĩ bề dày nhỏ hơn, thường từ 5÷10mm. Mặt sàng trung gian cĩ tác dụng để phân chia đường khơng khí thành nhiều đường cắt đường khĩi nhiều lần. Mỗi khối của bộ sấy khơng khí cĩ thể cĩ từ 1÷2 mặt sàng trung gian. Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 8 Việc chọn số lần đường khơng khí cắt đường khĩi hay nĩi khác đi là việc chọn kích thước đường khơng khí đi là dựa trên cơ sở đảm bảo tốc độ của dịng khơng khí. (hình vẽ 1-3 trình bày các dạng sơ đồ bố trí bộ sấy khơng khí kiểu ống). a) b) c) d) Hình I-3. Sơ đồ bộ sấy khơng khí kiểu ống a) sơ đồ một dịng; b) và d) sơ đồ hai dịng nhiều đường; c) sơ đồ một dịng một đường Khi quyết định số lần đường khơng khí cắt đường khĩi cũng như số dịng khơng khí khơng phải hồn tồn chỉ dựa vào tốc độ khơng khí yêu cầu mà cịn phải dựa vào quan hệ giữa tốc độ khĩi và tốc độ khơng khí, nghĩa là cịn phải xét tới kích thước và số lượng ống (tiết diện để khĩi qua), do đĩ, cịn phải tuỳ thuộc bề mặt truyền nhiệt của bộ sấy khơng khí. Cũng cần phải chú ý rằng khi số lần cắt càng nhiều thì độ chênh nhiệt độ càng lớn. Ta cĩ thể thấy rõ các mối quan hệ trên bằng cách chọn đường kính ống và tương ứng, số lượng ống như sau: - Khi thiết kế bộ sấy khơng khí thì bề mặt truyền nhiệt yêu cầu được biết trước, cịn tiết diện khĩi đi qua cũng đã được xác định bằng cách chọn trước tốc độ khĩi trên cơ sở tốc độ khĩi giới hạn theo điều kiện mài mịn bởi tro bay. Bề mặt đốt và tiết diện để khĩi qua được xác định theo số lượng ống và đường kính ống như sau: Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 9 4 2 tdnF π= , m2 (I.1) ldnH tbπ= , m2 (I.2) Trong đĩ: dt, dtb - đường kính trong và trung bình của ống, m l - chiều dài ống, m - Nếu giảm đường kính ống mà vẫn đảm bảo tiết diện khĩi qua thì phải tăng tương ứng số lượng ống song song lên theo quan hệ bình phương. Nhưng khi ấy để đảm bảo bề mặt truyền nhiệt thì lại phải giảm chiều dài của ống để bù lại sự tăng số lượng ống này. Cứ giảm đường kính đi bao nhiêu lần thì chiều dài của ống phải giảm đi bấy nhiêu lần, vì tỷ số giữa chiều dài và đường kính ống là một trị số cố định khi thay đổi đường kính ống: tb t t d d F H d l 4 = (I.3) Phương trình (I.3) được lập nên bằng cách chia phương trình (I.2) cho phương trình (I.1). Như vậy khi giảm đường kính ống đi 2 lần thì phải tăng số lượng ống lên 4 lần và giảm chiều cao của ống đi 2 lần. Khi tăng số lượng ống mà vẫn muốn đảm bảo tốc độ khơng khí thì phải tăng số dãy ống dọc theo đường khơng khí, do đĩ làm tăng trở lực của đường khơng khí, cịn khi giảm chiều dài ống thì số lần cắt cũng phải giảm theo (do phải giữ nguyên chiều cao của đường khơng khí đi). Hiện nay để sử dụng ống đường kính bé và để hồn thiện quá trình làm việc, bộ sấy khơng khí cĩ thể thực hiện theo hai dịng riêng biệt (hình vẽ I-3b và d). Khi đĩ mỗi phần chỉ cĩ một nửa tổng lượng khơng khí đi qua, so với sơ đồ một dịng cho phép tăng gấp đơi số lần cắt và giảm gấp đơi trở lực của đường khơng khí khi cùng tốc độ khơng khí. Việc đưa khơng khí vào bộ sấy cĩ thể thực hiện theo hai phía. ♦ Bộ sấy khơng khí kiểu ống cĩ những ưu điểm sau: Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 10 - Đơn giản trong chế tạo, lắp ráp và làm việc chắc chắn, - Tro bám trong ống khơng nhiều, ống dễ dàng thổi sạch, - Khắc phục được hiện tượng lọt khơng khí vào trong đường khĩi, - Cĩ xuất tiêu hao kim loại tương đối nhỏ. ♦ Khuyết điểm của bộ sấy khơng khí kiểu ống: Khuyết điểm chủ yếu là các ống thép khơng bền vững dưới tác dụng ăn mịn của khĩi ở nhiệt độ cao và tác dụng mài mịn của tro bay. Vì vậy bộ sấy khơng khí kiểu ống được dùng để gia nhiệt khơng khí tới khoảng 400oC, nhiệt độ khĩi trước nĩ khơng quá 550oC. Khi nhiệt độ khĩi và khơng khí cao hơn người ta thường dụng bộ sấy khơng khí kiểu ống bằng gang, do gang bền vững hơn dưới tác dụng ăn mịn và mài mịn so với ống thép. Để tăng hệ số truyền nhiệt, ống gang thường cĩ cánh ở ngồi ống và cĩ răng ở trong ống. Lúc này khơng khí được bố trí đi trong ống cịn khĩi đi ngồi ống. Các cánh (ngồi ống) và răng (trong ống) được bố trí dọc theo đường lưu động của dịng khơng khí hay khĩi, nghĩa là vuơng gĩc với nhau (như hình I-4). Hình I-4. Cấu tạo của ống gang cĩ cánh và răng của bộ sấy khơng khí bằng gang Số lượng ống theo chiều rộng đường khĩi của bộ sấy khơng khí bằng gang được xác định theo điều kiện đảm bảo tốc độ khĩi, cịn chiều dài ống được xác định theo điều kiện đảm bảo bề mặt đốt. Khuyết điểm chủ yếu của bộ sấy khơng khí bằng gang là kích thước cồng Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 11 kềnh và nặng nề, sản xuất tiêu hao kim loại rất lớn, độ lọt khơng khí nhiều và dễ bám tro. Nhưng do khả năng chống mài mịn và mài mịn cao nên nĩ được sử dụng để chế tạo bộ sấy khơng khí cấp một (hoặc một phần ở phía đầu vào bộ sấy cấp một) khi đốt nhiên liệu nhiều lưu huỳnh, nhiên liệu rất ẩm và với nhiệt độ khĩi thải thấp, hay để chế tạo bộ sấy khơng khí cấp hai (hoặc phần đi ra của bộ sấy khơng khí cấp hai) khi cần dùng khơng khí cĩ nhiệt độ quá cao. Trong các thiết bị đốt nhiệt độ khĩi thải ra khỏi lị cịn rất cao (trên 1000oC) nên người ta thường dùng khĩi này để gia nhiệt khơng khí. Nhưng vì nhiệt độ khĩi rất cao nên địi hỏi kim loại chế tạo phải là thép hợp kim chống gỉ. I.3 Bộ sấy khơng khí kiểu hồi nhiệt (bộ sấy quay): Hiện nay trên thế giới cũng như tại một số nhà máy nhiệt điện chạy than tại Việt Nam cũng đã sử dụng khá rộng rãi bộ sấy khơng khí kiểu hồi nhiệt (dạng quay) Hình I-5. Bộ sấy khơng khí kiểu quay (loại hồi nhiệt) Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 12 Thiết bị sấy nĩng khơng khí hồi nhiệt kiểu quay (rotary regenerative air heater) thu giữ và sử dụng lại khoảng 60% nhiệt lượng thốt ra ngồi lị hơi, nếu khơng, năng lượng này sẽ bay đi mất theo đường ống khĩi. Với một nhà máy nhiệt điện chạy than cơng suất 500 MW, năng lượng sử dụng lại cĩ thể lên tới khoảng 3,5.105 kcal mỗi giờ, và nhờ sử dụng lại nhiệt lượng này, cĩ thể giảm mức tiêu hao nhiên liệu khoảng 1.500 tấn mỗi ngày. Bộ phận chính của bộ sấy là một rơto quay với tốc độ chậm xung quanh trục đứng. Trên rơto cĩ gắn các lá thép. Những lá thép này trong quá trình rơto quay sẽ lần lượt khi thì tiếp xúc với khí nĩng, khi thì tiếp xúc với khơng khí lạnh. Đường khĩi và đường khơng khí được bố trí ở hai phía cố định của bộ sấy và được ngăn bởi vách ngăn. Phần rơto khi đi qua đường khĩi sẽ được đốt nĩng tới nhiệt độ của khĩi, lượng nhiệt tích luỹ này sẽ được truyền cho khơng khí khi rơto đi qua đường khơng khí, nhiệt độ của phần rơto này sẽ giảm xuống. Khi đi qua đường khĩi, các chi tiết của rơto sẽ cĩ nhiệt độ bằng nhiệt độ của khĩi, nên khắc phục được hiện tượng ăn mịn ở nhiệt độ thấp trong đường khĩi. Khi đi qua phần khơng khí, do khơng khí khơng phải là mơi trường ăn mịn như khĩi, nên cho phép nhiệt độ của các chi tiết hạ xuống khá thấp. Đĩ cũng là ưu điểm chính của bộ sấy khơng khí kiểu hồi nhiệt. Ngồi ra bộ sấy khơng khí kiểu hồi nhiệt cịn cĩ ưu điểm là kích thước nhỏ gọn, suất tiêu hao kim loại nhỏ, trở lực đường khĩi và khơng khí khá bé. Khuyết điểm chủ yếu của bộ sấy khơng khí kiểu hồi nhiệt là lượng khơng khí lọt vào trong đường khĩi khá lớn. Trong các cấu tạo cũ, khi khơng bảo đảm chèn kín tốt, lượng khơng khí lọt vào cĩ thể lên tới 20%. Ngay cả khi chèn tốt, lượng khơng khí lọt cũng tới 10%. Điều này làm cho lượng tiêu hao điện năng, cho việc thơng giĩ và tổn thất q2 tăng lên. Ngồi ra việc thực hiện chuyển động quay trong điều kiện nhiệt độ cao làm cho cấu tạo phức tạp lên nhiều. Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 13 Để khắc phục những khuyết điểm này, hiện nay trong nhiều trường hợp người ta đã dùng bộ sấy khơng khí kiểu hồi nhiệt nhưng khơng cĩ rơto quay bằng kim loại mà bằng khối gạch chịu lửa cố định, chia làm hai phần, tiếp xúc định kỳ với khĩi và khơng khí nhờ một hệ thống van lá chắn đĩng mở đường khĩi và giĩ. Để so sánh các loại bộ sấy khơng khí, người ta dùng các chỉ tiêu về kích thước. Về trọng lượng và về giá thành, bộ sấy khơng khí bằng gang cĩ cánh cĩ kích thước cấu tạo lớn nhất và giá thành đắt nhất, sau đến bộ sấy khơng khí kiểu tấm, rồi đến kiểu ống. Bộ sấy khơng khí kiểu hồi nhiệt cĩ chỉ tiêu nhỏ nhất. Qua các kết quả phân tích thực tế, người ta thấy so với bộ sấy khơng khí kiểu ống đường kính 40mm, bộ sấy khơng khí bằng gang nặng hơn 4 lần, dài hơn 2,5 lần và lượng tiêu hao điện năng cho việc thơng giĩ lớn hơn 4 lần. a) b) Hình I-6. Bố trí các bề mặt truyền nhiệt phần đuơi lị a) Bố trí một cấp; b) bố trí hai cấp 1,3 - Bộ sấy khơng khí cấp 1 và 2; 2,4 - Bộ hâm nước cấp 1 và 2 Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 14 Trong đường khĩi phần đuơi, bộ sấy khơng khí cĩ thể bố trí theo dạng một cấp (hình I-6a) hoặc 2 cấp xen kẽ nhau (hình I-6b). Chọn kiểu kết cấu nào là tuỳ theo yêu cầu về độ gia nhiệt khơng khí nĩng quyết định. Thơng thường, ở ghi lị, để bảo vệ ghi lị, nhiệt độ khơng khí nĩng thường khơng quá 150oC, (chỉ khi đốt những nguyên liệu rất nhiều tro và ẩm như than bùn, nhiệt độ khơng khí nĩng mới tới 205oC), khi ấy chỉ cần bố trí bộ sấy khơng khí một cấp. Ở lị phun nhiệt nĩng tới 400oC, cĩ khi cao hơn. Để thu được nhiệt độ khơng khí nĩng cao như vậy cần thiết phải đặt đầu ra của bộ sấy khơng khí vào vùng nhiệt độ khĩi cao, nghĩa là bộ sấy khơng khí chia thành hai cấp. Nhưng thơng thường nhiệt độ khĩi đi ra khỏi bộ quá nhiệt cịn lớn hơn 600oC, nên để bảo vệ bộ sấy khơng khí, người ta thường đặt bộ sấy khơng khí cấp hai vào giữa bộ hâm nước, cĩ nghĩa là bộ hâm nước cũng được chia thành hai cấp. Hình I-7. Sự thay đổi nhiệt độ khĩi và mơi chất của các bề mặt đốt phần đuơi khi bố trí hai cấp ∆∆ Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 15 Hình I-7 trình bày đặc tính thay đổi nhiệt độ của dịng khĩi và mơi chất đi qua các bề mặt truyền nhiệt phần đuơi khi bố trí hai cấp. Các dịng mơi chất đều được bố trí ngược dịng khĩi nên theo chiều giảm nhiệt độ dịng khĩi và theo chiều tăng nhiệt độ mơi chất. Độ tăng nhiệt độ của khơng khí lạnh nhanh hơn độ giảm nhiệt độ của khĩi, cịn đốt với bộ hâm nước thì xảy ra ngược lại. Ta cĩ thể thấy rõ điều này bằng cách khảo sát phương trình cân bằng nhiệt của các cấp. Đốt với bộ sấy khơng khí cấp một, dựa theo các ký hiệu trên hình I-7, phương trình cân bằng nhiệt cĩ dạng: ( ) ( ) ( )[ ]( )thkOHkkkkthNNRORO kklkknkkkkngblbl ttVCVCVCV ttCV −+−++= =−∆−∆− 22222 0 0 1α ααα (I.4) trong đĩ: tkkn, tkkl - nhiệt độ khơng khí nĩng và lạnh, oC; tk, tth - nhiệt độ khĩi và nhiệt độ khĩi thải, oC αbl - hệ số khơng khí thừa trong buồng lửa ∆αng - hệ số khơng khí lọt trong hệ thống nghiền than Người ta thường ký hiệu: ( ) kkkkngblkk CV 0ααψ ∆−= , kj/kgoC (I.5) ( ) OHOHkkkkthNNROROk CVCVCVCV 222222 01 +−++= αψ (I.6) gọi là đương lượng nước của khơng khí và của khĩi Đối với các loại nhiên liệu, thể tích lý thuyết của khơng khí thường nhỏ hơn thể tích lý thuyết của khĩi, nhiên liệu càng ẩm thì thể tích khơng khí càng nhỏ hơn. Mặt khác do đường khĩi của hầu hết các lị làm việc ở trạng thái chân khơng, nên cĩ lọt khơng khí nghĩa là blth αα > . Khi đĩ tỷ nhiệt của nitơ xấp xỉ với tỷ nhiệt tài nguyên của khơng khí nên tỷ nhiệt trung bình của khĩi lớn hơn của khơng khí. Vì vậy đương lượng nước của khơng khí thường nhỏ hơn nhiều so với đương lượng nước của khĩi. Do đĩ từ phương trình (I.4) ta cĩ hiệu nhiệt độ ( ) ( )thkkklkkn tttt −>− ; nghĩa là độ tăng nhiệt độ khơng khí lớn Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 16 hơn độ giảm nhiệt độ của khĩi. Trung bình cứ giảm nhiệt độ của khĩi đi 1oC thì nhiệt độ của khơng khí tăng lên 1,2÷1,5oC. Trong bộ hâm nước của lị hơi, đương lượng của nước là: pn CB D=ψ , kg/kgoC (I.7) lại lớn hơn đương lượng của khĩi do tỷ nhiệt của nước lớn hơn nhiều so với tỷ nhiệt của khĩi (khoảng 2,5 lần). Vì vậy độ tăng nhiệt độ nước nhỏ hơn nhiều so với độ giảm nhiệt độ khĩi. Nhiệm vụ chủ yếu khi bố trí các bề mặt truyền nhiệt phần đuơi là xác định tỷ lệ hấp thụ nhiệt hay nĩi khác đi, tỷ lệ bề mặt đốt của từng cấp bộ sấy khơng khí và bộ hâm nước. Do bố trí xen kẽ, sự làm việc của các cấp bộ sấy khơng khí và bộ hâm nước cĩ liên hệ với nhau nên thực ra chỉ cần xác định kích thước của bộ sấy khơng khí cấp một và nhiệt độ khĩi trước bộ sấy khơng khí cấp hai sẽ phân bố được tỷ lệ hấp thụ nhiệt giữa các cấp của bộ sấy khơng khí và bộ hâm nước. Nếu gọi nhiệt độ ở đầu ra bộ sấy khơng khí cấp một là: nckhn ttt −=∆ (I.8) kknkskk ttt −=∆ (I.9) thì nhiệt độ khơng khí nĩng ra khỏi bộ sấy khơng khí cấp một sẽ bằng: ( ) k kk k kk kkl k kk skkthkkn tttt ψ ψ ψ ψ ψ ψ − − − ∆−= 11 1 (I.10) Ta thấy từ phương trình (I.10), nhiệt độ khơng khí nĩng khi ra khỏi bộ sấy khơng khí cấp một được xác định phụ thuộc vào nhiệt độ khí lạnh, nhiệt độ khĩi thải, hiệu nhiệt độ ở đầu ra bộ sấy khơng khí cấp một và mức độ sai khác giữa đương lượng nước của khơng khí và của khĩi. Nhiệt độ khơng khí nĩng sẽ giảm đi khi giảm nhiệt độ khĩi thải, khi tăng nhiệt độ khơng khí lạnh, Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 17 khi giảm tỷ số giữa đương lượng nước của khơng khí và của khĩi khi tăng hiệu số nhiệt độ ở đầu ra của bộ sấy khơng khí. Vì khi phân bố tỷ lệ hấp thụ nhiệt giữa các cấp, nhiệt độ khĩi thải là đã chọn trước, nhiệt độ khơng khí lạnh là một trị số khơng thay đổi, cịn đương lượng nước của khơng khí và khĩi phụ thuộc vào loại nhiên liệu đốt đã cho nên cũng là những trị số cố định. Vì vậy đại lượng cĩ ý nghĩa quyết định đến nhiệt độ khơng khí nĩng chính là hiệu nhiệt độ ở đầu ra bộ sấy khơng khí cấp một. Việc chọn hiệu nhiệt độ đầu ra bộ sấy cấp một skkt∆ là một vấn đề tương đối phức tạp, được xác định trên cơ sở tính kinh tế kỹ thuật. Khi hiệu nhiệt độ ở đầu ra bộ sấy khơng khí cấp một càng nhỏ thì nhiệt độ khơng khí nĩng và tương ứng nhiệt độ khĩi trước bộ sấy khơng khí cấp một càng cao (điểm làm việc của nhiệt độ khĩi trước bộ sấy khơng khí cấp một dịch chuyển về bên trái đồ thị I-7), do đĩ hiệu nhiệt độ ở đầu vào bộ hâm nước cấp một cũng sẽ càng lớn vì nhiệt độ nước cấp là khơng đổi. Như vậy khi chọn nhiệt độ khơng khí nĩng ra khỏi bộ sấy khơng khí cấp một càng cao thì chênh lệch độ trong bộ sấy khơng khí cấp một càng giảm, cịn trong bộ hâm nước lại tăng. Do đĩ ở một lượng nhiệt hấp thụ khơng đổi kích thước bề mặt truyền nhiệt độ hâm nước giảm đi cịn của bộ sấy khơng khí thì tăng lên. Xác định được nhiệt độ khơng khí nĩng ra khỏi bộ sấy khơng khí cấp một thì sẽ xác định được tỷ lệ hấp thụ nhiệt giữa hai cấp của bộ sấy khơng khí. Tỷ lệ phân bố hấp thụ nhiệt giữa hai cấp của bộ hâm nước được xác định trên cơ sở chọn nhiệt độ khĩi trước bộ sấy khơng khí cấp hai. Nhiệt độ này được chọn theo điều kiện bảo đảm chống ăn mịn ở nhiệt độ cao cho bộ sấy khơng khí. Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 18 Trên cơ sở xác định các trị số hiệu nhiệt độ skkt∆ , hnt∆ , ta xác định được nhiệt độ khĩi thải tốt nhất theo phân tích về mặt kinh tế. Dựa trên cơ sở phương trình (I.4) và (I.8) ta sẽ xác định được nhiệt độ khĩi thải: ( ) ( ) k kk skkkkl k kk hnncth ttttt ψ ψ ψ ψ ∆++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −∆+= 1 , oC (I.11) Từ cơng thức (I.11) ta thấy: Cĩ thể giảm nhiệt độ của khĩi thải bằng cách giảm nhiệt độ nước cấp, nhiệt độ khơng khí lạnh, hiệu nhiệt độ hnt∆ , skt∆ hoặc làm cho đương lượng nước của khơng khí và của khĩi gần bằng nhau. Nhiệt độ khơng khí lạnh đưa vào bộ sấy khơng khí thường lấy bằng nhiệt độ của khơng khí trong gian lị, nghĩa là đã là một trị số cố định cho trước. Việc quyết định chọn nhiệt độ nước cấp là một vấn đề phức tạp dựa trên cơ sở so sánh kinh tế giữa việc tăng hiệu suất lị (do giảm nhiệt độ khĩi thải) với việc giảm hiệu suất của chu trình nhiệt khi giảm nhiệt độ nước cấp. Đối với một thơng số của lị và chu trình, nhiệt độ nước cấp đã được chọn theo cách so sánh kinh tế. Để cho tỷ số k kk ψ ψ tiến tới 1 thì cần phải giảm lượng khơng khí lọt vào lị. Trong quá trình vận hành cũng như khi thiết kế lị, lượng khơng khí lọt đã được khắc phục đến mức tối thiểu. Như vậy khơng thể dùng các biện pháp giảm nhiệt độ nước cấp, nhiệt độ khơng khí lạnh và lượng khơng khí lọt tới quá mức quy định để làm giảm nhiệt độ khĩi thải. Khi ấy nhiệt độ khĩi thải chỉ cịn phụ thuộc vào hai trị số hnt∆ và skkt∆ . Bảng sau trình bày các trị số nhiệt độ khĩi thải kinh tế nhất khi các trị số hnt∆ và skkt∆ khác nhau (tỷ số skk hn t t ∆ ∆ =1,33 - đối với nhiên liệu khơ) Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 19 Bảng I.1 - Nhiệt độ khĩi thải khi thay đổi hiệu nhiệt độ hnt∆ và skkt∆ , oC Nhiệt độ khơng khí lạnh tkkl, oC Cthn 080=∆ Ctskk 060=∆ Cthn 040=∆ Ctskk 030=∆ Cthn 020=∆ Ctskk 015=∆ Cthn 010=∆ Ctskk 07=∆ 30 60 80 131 154 171 100 123 139 83 107 123 75 99 115 Từ bảng trên ta cĩ thể lập được mối quan hệ về độ chênh nhiệt độ trung bình logarit theo nhiệt độ khĩi thải của bộ sấy khơng khí thay đổi các trị số skkt∆ . Ví dụ khi giảm nhiệt độ khĩi thải từ 103oC xuống 75oC thì độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit logt∆ giảm đi 15%, cịn khi giảm tth từ 85oC xuống 75oC thì logt∆ giảm đi 1,5 lần, nghĩa là tương ứng bề mặt truyền nhiệt của bộ sấy khơng khí sẽ tăng lên 1,5% hay 1,5 lần. Vì vậy càng giảm nguồn nhiệt độ thải (giảm chi phí vận hành) thì chi phí kim loại chế tạo bề mặt truyền nhiệt bộ sấy khơng khí càng tăng lên nhanh. Dựa trên các kết quả tính tốn kinh tế, thường lấy Cthn 040=∆ , Ctskk 030=∆ . Trong bảng sau trình bày nhiệt độ khĩi thải kinh tế khi Cthn 040=∆ , Ctskk 030=∆ tính với nhiên liệu khơ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ = 8,0 k kk ψ ψ và với nhiên liệu ẩm ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ = 7,0 k kk ψ ψ Bảng I.2 - Nhiệt độ khĩi thải của nhiên liệu khơ và ẩm Nhiệt độ khơng khí lạnh, oC Nhiệt độ khĩi thải Nhiệt độ nước cấp 150oC Nhiệt độ nước cấp 215oC Nhiên liệu khơ Nhiên liệu ẩm Nhiên liệu khơ Nhiên liệu ẩm 30 60 80 86 110 126 99 120 134 100 123 139 118 139 153 Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 20 Trị số nhiệt độ khĩi thải xác định được theo điều kiện kinh tế ở trên phải đảm bảo khơng gây nên ăn mịn nhiệt độ thấp ở bề mặt truyền nhiệt nghĩa là phải cao hơn nhiệt độ đọng sương. Đối với bộ sấy khơng khí, do hệ số tản nhiệt về phía khĩi và về phía khơng khí xấp xỉ nhau nên việc chọn kích thước bề mặt truyền nhiệt của bộ sấy khơng khí khơng những phụ thuộc vào vị trí tốc độ khĩi cĩ lợi nhất mà cịn cả vào trị số tốc độ khơng khí cĩ lợi nhất, nghĩa là vào tỷ số cĩ lợi nhất của tốc độ khĩi và khơng khí. Tỷ số cĩ lợi nhất này cĩ thể xác định như sau: - Đối với bộ sấy khơng khí kiểu ống: 5,0/ =kkk ψψ - Đối với bộ sấy khơng khí kiểu ống cĩ cánh răng: 7,0/ =kkk ψψ - Đối với bộ sấy khơng khí kiểu tấm và kiểu ống cĩ cánh: 1/ =kkk ψψ Việc chọn tốc độ khĩi cĩ lợi nhất cho bộ sấy khơng khí dựa trên cơ sở so sánh giữa việc tăng chi phí điện năng cho việc thơng giĩ khi tăng tốc độ với việc giảm chi phí đầu tư do giảm kích thước bề mặt truyền nhiệt. Các trị số tốc độ xác định được này thường nhỏ hơn nhiều so với trị số giới hạn cho phép về mặt mài mịn do việc mài mịn ở đây xảy ra ít hơn so với khi dịng khí lưu động ngang. Bảng 3 trình bày tốc độ khĩi cĩ lợi nhất trong bộ sấy khơng khí Bảng I.3 - Tốc độ khĩi cĩ lợi nhất trong bộ sấy khơng khí, m/s Loại bộ sấy khơng khí Cấp một Cấp hai Kiểu ống thép 10÷11 12÷14 Kiểu tấm 9÷10 11÷13 Kiểu ống bằng gang cĩ cánh 10÷11 Kiểu ống bằng gang cĩ cánh răng 13÷15 Từ các trị số tốc độ khĩi cĩ lợi nhất này, theo tỷ số ở trên mà xác định được tốc độ khơng khí cĩ lợi nhất. Qua phân tích ưu nhược điểm của các chủng loại bộ sấy khơng khí trên và hơn nữa để tiếp cận với các thiết kế mới, hiện đại của các kết cấu bộ sấy khơng Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 21 khí hiện đang được sử dụng tại các nhà máy điện mới xây dựng, nhĩm đề tài chúng tơi đã làm việc với Cơng ty CP Nhiệt điện Phả Lại và quyết định lựa chọn bộ sấy khơng khí kiểu hồi nhiệt (dạng bộ sấy khơng khí quay) làm đối tượng nghiên cứu và thiết kế. Mơđun sản phẩm bộ sấy khơng khí kiểu quay trên sau khi chế tạo thử nghiệm sẽ được đưa vào lắp ráp và vận hành khảo nghiệm tại Cơng ty CP Nhiệt điện Phả Lại. Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 22 CHƯƠNG II TÍNH TỐN - THIẾT KẾ BỘ SẤY KHƠNG KHÍ LOẠI HỒI NHIỆT (DẠNG QUAY) II.1 Mơ tả chung bộ sấy khơng khí loại hồi nhiệt (dạng quay) Bộ phận chính của bộ sấy khơng khí loại hồi nhiệt là một rơto quay với tốc độ độ rất chậm xung quanh trục đứng. Trên rơto cĩ gắn các lá thép, những lá thép này trong quá trình rơto quay sẽ lần lượt khi thì tiếp xúc với khĩi nĩng, khi thì tiếp xúc với khơng khí lạnh. Đường khĩi và đường khơng khí được bố trí ở hai phía cố định của bộ sấy và được ngăn bởi vách ngăn. Phần rơto đi qua đường khĩi nĩng sẽ được đốt nĩng đến nhiệt độ của khĩi, lượng nhiệt tích luỹ này sẽ truyền cho khơng khí khi rơto đi qua đường khơng khí, nhiệt độ của phần rơto này sẽ giảm xuống. Khi đi qua đường khĩi, các chi tiết của rơto sẽ cĩ nhiệt độ bằng nhiệt độ của khĩi nên khắc phục được hiện tượng ăn mịn ở nhiệt độ thấp trong đường khĩi. Khi đi qua phần khơng khí, do khơng khí khơng phải là mơi trường ăn mịn như khĩi, nên cho phép nhiệt dộ các chi tiết hạ xuống khá thấp. Bộ sấy khơng khí dạng này cĩ kích thước gọn gàng, suất tiêu hao kim loại nhỏ, trở lực đường khĩi và khơng khí bé. Nhưng chúng cĩ nhược điểm chủ yếu là độ lọt giĩ đáng kể từ phí khơng khí sang khĩi (độ lọt giĩ tiêu chuẩn của khơng khí 0,2-0,25). Dạng bộ sấy khơng khí này đảm bảo sấy khơng khí tới 250÷300oC và được dùng chủ yếu cho các lị hơi cơng suất lớn. Việc lựa chọn tốc độ của các sản phẩm cháy và khơng khí trong thiết kế bộ sấy khơng khí là rất quan trọng. Các bộ sấy khơng khí đặt ỏ vùng nhiệt độ thấp của các sản phẩm cháy bị ăn mịn bên ngồi, đặc biệt bị ăn mịn nhanh khi đốt các nhiên liệu cĩ hàm lượng lưu huỳnh cao. Các bộ sấy khơng khí của lị hơi cơng nghiệp thường được bảo vệ chống ăn mịn bằng cách duy trì nhiệt độ của thành ống cao hơn nhiệt độ điểm sương 10oK Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 23 Nhiệt độ điểm sương của các sản phẩm cháy: ptngs ttt ∆+= . , oC (II.1) Trong đĩ: tng.t - nhiệt độ phát sinh ngưng tụ hơi nước từ các sản phẩm cháy, oC ∆tp- trị số hiệu chỉnh tính đến sự tăng nhiệt độ điểm sương so với nhiệt độ ngưng tụ Đối với các nhiên liệu khơng chứa lưu huỳnh, nhiệt độ điểm sương được coi là bằng nhiệt độ ngưng tụ hơi nước với áp suất riêng phần của chúng trong các sản phẩm cháy. Trong trường hợp đĩ nhiệt độ điểm sương là 45-55oC. Đại lượng ∆tp phụ thuộc vào độ lưu huỳnh ước lược và độ tro: nyH n p Aa St 05,1 1253=∆ (II.2) Trong đĩ: ayH - lượng tro trong khĩi; Sn, An - tương ứng là hàm lượng lưu huỳnh và tro quy đổi Quá trình ăn mịn khi đốt các nhiên liệu chứa lưu huỳnh xảy ra chậm khi tuân thủ các điều kiện sau: Ctt otng 10525. <<+ Việc kiểm tra khơng đọng sương trong các ống của bộ sấy khơng khí được tiến hành bằng cách xác định nhiệt độ tối thiểu của thành ống. Khi đốt các nhiên liệu chứa lưu huỳnh trong các lị hơi cơng suất lớn, để đảm bảo việc chống ăn mịn thì bề mặt đun nĩng của bộ sấy khơng khí được tráng men chịu axit hoặc cấp lạnh của bộ sấy khơng khí được chế tạo bằng các vật liệu chống ăn mịn. Cũng cĩ thể sử dụng các bộ sấy khơng khí với chất tải nhiệt trung gian. Để duy trì nhiệt độ thành bộ sấy khơng khí cao hơn nhiệt độ điểm sương người ta áp dụng tái tuần hồn khơng khí nĩng và sấy sơ bộ khơng khí trước Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 24 khi đưa vào bộ sấy khơng khí. Gần đây người ta ít áp dụng tái tuần hồn khơng khí nĩng vào đầu hút của quạt giĩ, bởi vì với sơ đồ đĩ tiêu hao năng lượng cho quạt sẽ tăng lên. Ngồi ra tái tuần hồn bảo vệ bộ sấy khơng khí kém hiệu quả khi khởi động lị. Hiện nay việc sấy khơng khí trước khi đưa vào bộ sấy khơng khí trong bộ gia nhiệt bằng hơi hoặc bằng nước được sử dụng rộng rãi, bởi vì đảm bảo được sự sấy nĩng cần thiết với bất kỳ phương thức vận hành nào của lị hơi. II.2 Cơ sở tính tốn bộ sấy khơng khí Dựa trên cơ sở tính tốn đối với bộ sấy khơng khí kiểu ống ta áp dụng vào cơng tác tính tốn bộ sấy khơng khí kiểu quay. Cơ sở của việc tính tốn bộ sấy khơng khí kiểu ống được xác định như sau: - Khi tính tốn kết cấu bộ sấy khơng khí lựa chọn đường kính ống, các bước ngang và dọc, các tiết diện cho các sản phẩm cháy và khơng khí đi qua, số lượng các hành trình. Trong tính tốn kiểm tra bộ sấy khơng khí hiện hành, các đặc tính trên và bề mặt đun nĩng của nĩ được xác định từ bản vẽ. - Xác định nhiệt độ ở phía đầu nĩng của bộ sấy khơng khí: ''' tt −=∆ ϑ , oC (II.3) Trong đĩ: 'ϑ - nhiệt độ của các sản phẩm cháy ở đầu vào bộ sấy khơng khí, nhiệt độ này đã được xác định từ tính tốn bề mặt đun nĩng trước đĩ t’ - nhiệt độ khơng khí nĩng được chấp nhận khi lập bảng cân bằng nhiệt của lị hơi Nếu trị số ∆t’ nhỏ hơn 25-30oC thì khi tính tốn kết cấu điều đĩ chỉ ra sự cần thiết của việc sử dụng bề mặt đun nĩng một cách khơng xác đáng, cịn khi tính tốn kiểm tra bộ sấy khơng khí hiện cĩ khơng đủ để tiếp nhận nhiệt độ khơng khí nĩng đã được chấp nhận. Trong cả hai trường hợp cần phải giảm nhiệt độ khơng khí nĩng và tiến hành tính tốn lại đối với lị hơi hoặc sử dụng bố cục hai cấp của bộ sấy khơng khí. Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 25 - Xác định nhiệt hấp thu của khơng khí trong bộ sấy khơng khí. Khi sấy sơ bộ khơng khí trong lị phát nhiệt nhiệt hấp thu trong bộ sấy khơng khí: ( )obpogbbpgbbp IIQ −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∆+= 2 ββ , (kJ/kg hoặc kJ/m3) (II.4) Trong đĩ: βgb - tỉ số lượng khơng khí nĩng với lượng cần thiết theo lý thuyết plTTgb αααβ ∆−∆−= Trong đĩ: ∆αT, ∆αbp, ∆αpl - các lượng lọt khơng khí vào buồng đốt, bộ sấy khơng khí và hệ thống chế biến than bột obpI , ogbI - entanpi của lượng khơng khí lý thuyết ở đầu vào bộ sấy khơng khí và ở đầu ra từ bộ sấy khơng khí với các nhiệt độ tương ứng đã được chấp nhận khi lập cân bằng nhiệt lị hơi. - Từ phương trình cân bằng nhiệt xác định entanpi của các sản phẩm cháy sau bộ sấy khơng khí o bpbp bp bpbp I Q II αϕ ∆+−= '" , (kJ/kg hoặc kJ/m3) (II.5) Trị số nhận ''bpI được so sánh với trị số entanpi của khĩi thốt được chọn sơ bộ khi lập cân bằng nhiệt. Nếu chênh lệch khơng vượt quá 5% nhiệt lượng khả dụng của nhiên liệu thì việc tính tốn đã thực hiện đúng. - Tùy thuộc vào sự chuyển động tương quan của khơng khí và các sản phẩm cháy xác định độ chênh nhiệt độ trong bộ sấy khơng khí. Để áp dụng tốn đồ ta tính các thơng số khơng thứ nguyên: '' t P M−= ϑ τ M BR τ τ= (II.6) Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 26 Trong đĩ: 'ϑ và 't - nhiệt độ của các sản phẩm cháy và khơng khí ở đầu vào bề mặt đun nĩng, oC Bτ - độ chênh nhiệt độ khi đi qua bề mặt đun nĩng của mơi trường mà độ chênh lệch đĩ lớn hơn, oC Mτ - độ chênh lệch nhiệt độ của mơi trường thứ hai (nhỏ hơn), oC - Xác định tốc độ của các sản phẩm cháy trong bộ sấy khơng khí: 273. )273( F VB gp g += ϑω , (m/s) (II.7) - Xác định tốc độ của khơng khí trong bộ sấy khơng khí: ( ) 273. 273 F tVB ogbp b += βω , (m/s) (II.8) Trong đĩ: Vo - lượng khơng khí lý thuyết cần thiết cho quá trình cháy, m3/kg hoặc m3/m3 t - nhiệt độ trung bình số học của khơng khí ở đầu vào và đầu ra từ bộ sấy khơng khí, oC F - diện tích mặt cắt ngang cho khơng khí đi qua, m2 - Xác định hệ số hồn nhiệt bằng đối lưu từ các sản phẩm cháy tới thành bộ sấy Khi đặt ngang chùm ống dạng so le và dạng thẳng hàng: fszHk ccc ...αα = (II.9) Khi đặt dọc: lfHk cc ..αα = (II.10) ở đây: αH - hệ số truyền nhiệt xác định theo tốn đồ cz - hệ số hiệu chỉnh hàng ống theo chuyển động sản phẩm cháy cs - hệ số hiệu chỉnh do sắp xếp hình học cho chùm ống Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 27 cf - hệ số tính đến ảnh hưởng của sự thay đổi các thơng số vật lý dịng cl - hệ số hiệu chỉnh cho độ dài tương đối, đưa vào khi l/d <50 và được xác định trong trường hợp ống xếp thẳng, khơng quy trịn. - Xác định tổng hệ số tỏa nhiệt từ các sản phẩm cháy tới bề mặt đun nĩng ( )xblđl .. ααξα += , W/(m2.K) (II.11) Trong đĩ: xb.α - Hệ số tỏa nhiệt bằng bức xạ, đối với các bộ sấy khơng khí cấp thứ nhất được chấp nhận 0. =xbα ξ - hệ số sử dụng: khi đốt than antraxit, than bùn, mazut và củi, ξ được chấp nhận bằng 0,8; các nhiên liệu cịn lại bằng 0,85 - Xác định hệ số tỏa nhiệt từ thành bề mặt đun nĩng tới khơng khí. Khi bao quanh ngang của các chùm kiểu hành lang và bàn cờ: fszH cccαα =2 , W/(m2.K) (II.12) Trong đĩ: Hα - hệ số tỏa nhiệt theo tốn đồ; zc , sc , fc - các hệ số hiệu chỉnh; Để xác định các hệ số hiệu chỉnh trên cần tính nhiệt độ trung bình của khơng khí: 2 "' ttt += , các bước tương đối d s1 1 =δ và ds22 =δ - Xác định hệ số truyền nhiệt 21 21 αα ααξ +=K , (W/m 2.K) (II.13) - Khi tính tốn kết cấu từ phương trình truyền nhiệt xác định bề mặt đun nĩng của bộ sấy khơng khí tK BQ H pbpbp ∆= 310 , (m2) (II.14) Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 28 Khi tính tốn kiểm tra (bề mặt đun nĩng của bộ sấy khơng khí đã biết) từ phương trình truyền nhiệt xác định được lượng nhiệt khơng khí tiếp nhận: p bp bp B tHK Q 310 .. ∆= (II.15) Theo trị số Qbp xác định được entanpi của khơng khí nĩng sau bộ sấy khơng khí: bpgb bpo gb Q I αβ ∆+= , (kJ/kg hoặc kJ/m 3) (II.16) Theo trị số ogbI xác định được nhiệt độ khơng khí đun nĩng sau bộ sấy khơng khí tgb. Nếu nhiệt độ này khác biệt với nhiệt độ đã chấp nhận khi lập cân bằng nhiệt khơng quá ±40oC thì tính tốn được coi là kết thúc. Trong trường hợp ngược lại cần phải thực hiện lại tính tốn, ra một nhiệt độ mới của khơng khí gần với trị số nhiệt độ thu được. II.3 Các thơng số bộ sấy khơng khí loại hồi nhiệt và tính tốn bộ sấy: II.3.1 Các thơng số kỹ thuật của lị hơi: ♦ Sản lượng lị hơi 950T/h ♦ Lưu lượng hơi quá nhiệt trung gian 800 ♦ Nhiệt độ nước cấp tnc = 260oC ♦ Nhiệt độ hơi quá nhiệt tqn = 565oC ♦ Áp suất hơi quá nhiệt Pqn = 255bar ♦ Nhiệt độ hơi đầu vào bộ quá nhiệt Ct otg 307, = ♦ Áp suất hơi đầu vào bộ quá nhiệt barPtg 39, = ♦ Nhiệt độ hơi đầu ra bộ quá nhiệt Ct otg 570,, = ♦ Áp suất hơi đầu ra bộ quá nhiệt barPtg 37,, = Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 29 ♦ Áp suất khĩi trong buồng lửa P = 30mmH2O II.3.2 Các thơng số chính của bộ sấy khơng khí: ♦ Cơng suất động cơ chính rơto bộ sấy khơng khí Nđc = 11kW ♦ Tốc độ rơto nrơto = 0,8v/ph ♦ Đường kính lớn nhất của rơto Drơto = 10360mm ♦ Nhiệt độ khĩi đầu vào bộ sấy Tkv ≈ 400oC ♦ Nhiệt độ khĩi đầu ra bộ sấy Tkr ≈ 120oC ♦ Áp suất khĩi đầu vào bộ sấy Pkv = -5bar ♦ Nhiệt độ khơng khí đầu vào cấp 1 Tkkv1 ≈ 35oC ♦ Nhiệt độ khơng khí đầu ra cấp 1 Tkkr1 ≈ 368oC ♦ Nhiệt độ khơng khí đầu vào cấp 2 Tkkv2 ≈ 25oC ♦ Nhiệt độ khơng khí đầu ra cấp 2 Tkkr2 ≈ 336oC ♦ Áp suất khơng khí đầu vào cấp 1 Pkkv1 = 12,0bar ♦ Áp suất khơng khí đầu ra cấp 1 Pkkr1 = 11,0bar ♦ Áp suất khơng khí đầu vào cấp 2 Pkkv2 = 16,0bar ♦ Áp suất khơng khí đầu ra cấp 2 Pkkr2 = 10,0bar ♦ Lưu lượng khơng khí đầu vào cấp 1 Qkkv1 = 50,4m3/s ♦ Lưu lượng khơng khí đầu vào cấp 2 Qkkv2 = 117m3/s Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 30 II.3.3 Tính tốn bộ sấy khơng khí khiểu quay: Theo các thơng số cho trước của bộ sấy khơng khí ta cĩ: - Nhiệt độ khơng khí nĩng đầu ra Tkkr2 = 336oC - Số lượng bộ sấy: n = 02 - Số vùng phân chia trên bộ sấy: 18 (8 đường khĩi, 8 đường khơng khí, 2 đường phân chia) - Tỷ lệ bề mặt bộ khĩi và khơng khí bao phủ: 2 1 x xbp = với x1 - số vùng khĩi x2 - số vùng tổng ta cĩ 445,0 18 8 2 1 === x xbp - Tiết diện lưu thơng của khĩi và khơng khí: nKbDF pproto ....785,0 2= (m2) 06,622.89,0.93,0.445,0.36,10.785,0 2 ==F (m2) - Chiều cao phần điền đầy hdd = 2,2 (m) Diện tích bề mặt hấp thụ nhiệt: nhCKDH ddproto ....875,0.95,0 2= (m2) 7,1195472.2,2.365.93,0.36,10.785,0.95,0 2 ==H (m2) - Nhiệt độ khơng khí nĩng đầu ra đã biết là Tkkr1 ≈ 368oC - Theo bảng tra entanpi của khơng khí nĩng ta cĩ entanpi của khơng khí nĩng tại 368oC là 6550 =kknI (kcal/kg) - Tỷ số giữa lượng khơng khí sau bộ sấy và lượng khơng khí lý thuyết β” = 1,16 - Hệ số lọt khơng khí ∆α đối với lị hơi cĩ sản lượng >50T/h thì ∆α = 0,2 Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 31 - Nhiệt độ khơng khí đầu vào cấp 2 Tkkv2 ≈ 25oC - Theo bảng tra entanpi của khơng khí ta cĩ entanpi của khơng khí tại 25oC là 430 =gI (kcal/kg) - Ta cĩ nhiệt lượng hấp thụ của cấp nĩng bộ sấy: ( )00 2 " gkknc IIQ −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∆+= αβ (kcal/kg) (II.4) tài liệu [2] ( ) 12,71143655 2 2,016,1 =−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +=cQ (kcal/kg) - Entanpi khĩi đầu vào I’ = 966 (kcal/kg) - Nhiệt độ khĩi đầu vào đã biết: Tkv ≈ 400oC - Ta cĩ entanpi khĩi đầu ra được tính như sau: 0 2 '" kkn c IQII αϕ ∆+−= (kcal/kg) (II.5) tài liệu [3] với φ là hệ số giữ nhiệt 51 51 q q +−= ηϕ Trong đĩ: q5 là tổn thất nhiệt do tỏa nhiệt ra mơi trường, đối với lị hơi cĩ sản lượng >900T/h thì q5 = 0,2 (%) η1 là hiệu suất nhiệt, η1 = 100-Σq q là tổng tổn thất nhiệt được tính như sau: Σq = q2 + q3 + q4 + q5 + q6 (%) q2 - tổn thất do dàn ống khĩi mang đi ( )( ) lv t l kktt Q qIIq 42 100. −−= α (%) q4 - tổn thất nhiệt do khơng cháy hết về cơ khí, q4 = 0,5 (%) lvtQ - trị nhiệt thấp của nhiên liệu. Đối với các lị hơi đốt than bột nếu Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 32 khơng cĩ sự sấy nĩng khơng khí bằng nguồn nhiệt bên ngồi thì nhiệt lượng đưa vào gần bằng trị nhiệt thấp của nhiên liệu 5000== đvlvt QQ (kcal/kg ) lkkI - entanpi khơng khí lạnh lý thuyết, 5,52=lkkI (kcal/kg) αt - hệ số khơng khí thừa chỗ khĩi thải, αt = 1,4 tI - entanpi khĩi thải tính theo nhiệt độ khĩi thải đã chọn trước và ứng với hệ số khơng khí thừa αt Nhiệt độ khĩi đầu ra bộ sấy Tkr ≈ 120oC Ta cĩ 327=tI (kcal/kg) Từ đĩ ta cĩ: ( )( ) ( )( ) 04,5 5000 5,01005,52.4,1327100. 4 2 =−−=−−= lv t l kktt Q qIIq α (%) q3 - tổn thất do cháy khơng hết về mặt hĩa học. Coi các thành phần khí cháy được cháy hết, ta cĩ q3 = 0 q6 - tổn thất do xỉ mang ra ngồi dv lv trx Q ACaq .)(6 θ= (%) Với: ax=1-ab; ab tỷ lệ tro bay trong khĩi, ax=1-ab=1-0,8=0,2 (Cθ)tr là entanpi của tro, (Cθ)tr = 399 (kcal/kg) Nhiệt độ của xỉ ở trạng thái đốt trên ghi ta lấy 600÷700oC, cịn đối với xỉ lỏng ta lấy nhiệt độ hĩa lỏng của nhiên liệu. Ta cĩ: 36,0 5000 3,22.399.2,0.)( 6 === dv lv trx Q ACaq θ (%) Σq = q2 + q3 + q4 + q5 + q6 = 5,04 + 0,5 + 0,2 + 0,36 = 6,1 (%) η1 = 100-Σq = 100 - 6,1 = 93,9 (%) Ta cĩ hệ số giữ nhiệt 824,0 2,0939,0 2,011 51 5 =+−=+−= q q ηϕ Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 33 Tính tốn entanpi khĩi đầu ra: 5,37655 2 2,0 824,0 12,711966 2 '" 0 =+−=∆+−= kknc IQII αϕ (kcal/kg) - Nhiệt độ khĩi trung bình tktb = 0,5(Tkv + Tkr) = 0,5(400+120) = 260 (oC) - Nhiệt độ khơng khí trung bình tkktb = 0,5(Tkkr1 + Tkkv2) = 0,5(368+25) = 196,5 (oC) - Độ chênh nhiệt độ trung bình ∆t = tktb - tkktb = 260-196,5 = 63,5 (oC) - Nhiệt độ trung bình của vách 25,228 2 5,196260 2 =+=+= kktbktbv ttt (oC) - Tốc độ trung bình của khĩi: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∆+ = 273 1 .3600 2 " kktb ot n k t F VB αβ ω (oC) (II.7) - [3] Trong đĩ: Bt - Lượng tiêu hao nhiên liệu tính tốn ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −= 100 1 4 qBBt (kg/h) B - Lượng tiêu hao nhiên liệu dv l Q Q B . 100. 1η= (kg/h) Ql - Lượng nhiệt sử dụng hữu ích ( ) ( )'" tgtgtgncqnl iiDiiDQ −+−= (kcal/kg) với: Dtg - Lưu lượng hơi quá nhiệt trung gian, Dtg = 800.103 (kg/h) iqn - entanpi hơi quá nhiệt, iqn = 808,4 (kcal/kg) inc - entanpi nước cấp, inc = 271 (kcal/kg) 'tgi - entanpi hơi quá nhiệt đầu vào, 3,713' =tgi (kcal/kg) "tgi - entanpi hơi quá nhiệt trung gian, 8,861" =tgi (kcal/kg) D - lưu lượng hơi, D=950.103 (kg/h) Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 34 ta cĩ: 633 10.630)3,7138,861(10.800)2714,808(10.950 ≈−+−=lQ (kcal/kg) 3,134185 5000.9,93 100.10.630 6 ==B (kg/h) 3,133514 100 5,013,134185 =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −=tB (kg/h) Vo - thể tích khĩi lý thuyết, Vo = 5,545 (m3/kg) 18,7 273 5,1961 06,62.3600 2 2,016,1545,5.3,133514 273 1 .3600 2 " =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∆+ = kktb ot n k t F VB αβ ω (m/s) - Hệ số trao đổi nhiệt từ khĩi đến vách 5,75=kkα (kcal/m2hoC) - Hệ số trao đổi nhiệt từ vách đến khơng khí 58=kkkα (kcal/m2hoC) - Hệ số sử dụng 85,0=ξ - Hệ số truyền nhiệt: 4,12 58.445,0 1 5,75.445,0 1 85,0 11 21 = + = + = k kk k k xx k αα ξ (kcal /m2hoC) (II.13) - [3] - Nhiệt lượng bề mặt đốt hấp thụ với hệ số truyền nhiệt k = 12,4 705 3,133514 5,63.7,119547.4,12 ==∆= t T B tkHQ (kcal/kg) (II.15) - [3] - Xét tỷ số giữa nhiệt lượng bề mặt đốt hấp thụ với nhiệt lượng hấp thụ của cấp nĩng bộ sấy: 99,0 12,711 705 == c T Q Q (%). - Ta thấy tỷ số trên nhỏ hơn 2% nên tính tốn được coi là hợp lý. Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 35 CHƯƠNG III CẤU TẠO VÀ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MƠĐUL BỘ SẤY KHƠNG KHÍ III.1 Cấu tạo bộ sấy khơng khí loại hồi nhiệt (dạng quay) Qua nghiên cứu, khảo sát bộ sấy khơng khí tại một số nhà máy nhiệt điện, nhĩm đề tài nhận thấy bộ sấy khơng khí loại hồi nhiệt (dạng bộ sấy khơng khí quay) là dạng bộ sấy cĩ độ phức tạp cao, hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong một số nhà máy nhiệt điện mới, nên nhĩm đề tài sẽ tập trung và đi sâu nghiên cứu loại bộ sấy khơng khí này. Bộ sấy khơng khí dạng hồi nhiệt cĩ kết cấu bao gồm một kết cấu khung quay quanh một trục thẳng đứng, kết cấu này gọi là rơto. Rơto được chia thành ba tầng: tầng trên cùng (tầng tiếp xúc với dịng khĩi nĩng) thường gọi là tầng đầu nĩng; tầng giữa thường gọi là tầng trung gian và tầng dưới cùng thường gọi là tầng đầu lạnh. Thơng thường, mỗi tầng được chia thành 36 khoang cĩ diện tích như nhau, giữa các khoang cĩ các vách ngăn với kết cấu khung. Trong các khoang của bộ sấy cĩ các khối phần tử trao đổi nhiệt (mơđun), các khối phần tử trao đổi nhiệt này gồm nhiều phần tử trao đổi nhiệt, theo kết cấu được chia thành hai loại: phần tử trao đổi nhiệt dạng tấm cĩ prơfin lượn sĩng được sắp xếp xen kẽ với phần tử trao đổi nhiệt dạng tấm phẳng (như hình II-2) Các phần tử trao đổi nhiệt trong bộ sấy đĩng vai trị quan trọng trong quá trình trao đổi năng lượng nhiệt. Nhằm tạo ra khả năng trao đổi nhiệt tối ưu, các phần tử trao đổi nhiệt được thiết kế cĩ biên dạng đặc biệt để vừa cĩ diện tích trao đổi nhiệt lớn, lại vừa đảm bảo độ cứng vững. Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 36 Đường không khí đi ra Đường không khí đi vào Hình chiếu nhìn từ trên xuống (đã xoay) Tầng đầu nóng Tầng đầu lạnh Tầng trung gian Đường khói vào Hình III-1. Kết cấu bộ sấy khơng khí loại hồi nhiệt Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 37 Hình III-2. Phần tử trao đổi nhiệt dạng lượn sĩng sắp xếp xen kẽ với phần tử trao đổi nhiệt dạng tấm phẳng Các phần tử trao đổi nhiệt này được khĩa chặt bằng khung cố định xung quanh tạo thành một khối trao đổi nhiệt (mơđun). Do nhiệt độ khĩi từ lị khác nhau từ trên xuống nên biên dạng các phần tử trao đổi nhiệt tại các tầng của bộ sấy khơng khí cũng khác nhau nhằm tạo ra diện tích tiếp xúc với khĩi phù hợp, đảm bảo hiệu suất trao đổi nhiệt là lớn nhất. Khi rơto quay, dịng khĩi nĩng di chuyển liên tục qua rơto giữa các phần tử trao đổi nhiệt, khĩi nĩng truyền nhiệt cho các tấm kim loại này. Khi các phần tử trao đổi nhiệt này tiếp xúc với khơng khí, nĩ truyền nhiệt cho khơng khí. Quá trình trao đổi nhiệt như vậy được diễn ra liên tục. Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 38 Hình III-3. Khung cố định các phần tử trao đổi nhiệt Hình III-4. Khối trao đổi nhiệt (các phần tử lắp vào khung) Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 39 III.2 Sơ đồ cơng nghệ chế tạo khối trao đổi nhiệt trong bộ sấy khơng khí loại hồi nhiệt: Các phần tử trao đổi nhiệt (các tấm trao đổi nhiệt) đĩng vai trị quan trọng trong quá trình trao đổi năng lượng nhiệt của bộ sấy khơng khí. Nhằm tạo ra khả năng trao đổi nhiệt tối ưu, các phần tử trao đổi nhiệt này được thiết kế chế tạo cĩ biên dạng đặc biệt vừa đảm bảo độ cứng vững khi làm việc, vừa cĩ diện tích trao đổi nhiệt lớn, tăng cường khả năng trao đổi nhiệt giữa bề mặt phần tử trao đổi nhiệt với khĩi và khí đốt. Qua khảo sát bộ sấy khơng khí tại một số nhà máy nhiệt điện và nghiên cứu tính tốn, nhĩm đề tài chúng tơi đưa ra sơ đồ cơng nghệ chế tạo một khối trao đổi nhiệt như sau: III.2.1 Sơ đồ cơng nghệ chế tạo tấm trao đổi nhiệt Phơi thép cuộn Cắt phơi đạt bề rộng khai triển tấm Dập trong khuơn tạo biên dạng tấm trao đổi nhiệt Cắt đạt kích thước chiều dài tấm trao đổi nhiệt Cắt đạt kích thước chiều rộng tấm trao đổi nhiệt Cắt hồn thiện và làm cùn cạnh sắc tấm trao đổi nhiệt Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 40 - Trước khi dập các tấm trao đổi nhiệt thành các tấm cĩ biên dạng như thiết kế, phơi thép tấm được cắt pha bề rộng đạt kích thước khai triển của bề rộng tấm. - Dập các phơi thép tấm đã được pha cắt đạt chiều rộng cần thiết trong khuơn dập để tạo prơfin theo thiết kế - Do các tấm trao đổi nhiệt trong một khối trao đổi nhiệt cĩ kích thước khác nhau (cả về chiều dài, chiều rộng) nên khi dập tạo biên dạng cần phải dập tấm cĩ chiều rộng lớn nhất. - Sau khi dập được tấm cĩ prơfin theo thiết kế, các tấm trao đổi nhiệt được cắt đạt kích thước chiều dài và chiều rộng đảm bảo kích thước lắp ghép vào khung. Cơng đoạn cắt các tấm trao đổi nhiệt được tiến hành trên máy cắt tơn, trong đĩ lưỡi cắt được thiết kế cĩ prơfin giống prơfin của tấm trao đổi nhiệt. III.2.2 Sơ đồ cơng nghệ chế tạo tấm ngăn: - Các tấm vách ngăn trong các khối trao đổi nhiệt của bộ sấy khơng khí được thiết kế với mục đích tăng cường độ cứng vững của khối trao đổi nhiệt, tăng cường khả năng trao đổi nhiệt của khối nhờ sự phân bố xen kẽ các tấm Phơi thép tấm Cắt phơi đạt kích thước chiều dài Cắt phơi đạt kích thước chiều rộng Phân loại và kiểm tra sản phẩm Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 41 vách ngăn với các phần tử trao đổi nhiệt qua đĩ tạo khe hở động học hợp lý làm cho dịng chuyển động của khĩi và khơng khí cĩ tốc độ tối ưu. Mặt khác các tấm vách ngăn cũng làm tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của khơng khí và khĩi với các phần tử trao đổi nhiệt. III.2.3 Sơ đồ cơng nghệ chế tạo khung vỏ khối trao đổi nhiệt: Khung vỏ của khối trao đổi nhiệt cấu tạo bởi các đai kẹp trên, dưới, các tấm kẹp 4 gĩc, các thanh tăng cứng bố trí theo phương ngang và dọc. Khung vỏ khối trao đổi nhiệt cĩ tác dụng định vị các tấm trao đổi nhiệt bên trong nĩ đồng thời đảm bảo độ cứng vững của tồn bộ khối. Bên cạnh đĩ nĩ cũng gĩp phần tăng hiệu suất của quá trình trao đổi nhiệt Sơ đồ cơng nghệ chế tạo khung vỏ khối trao đổi nhiệt Phơi thép trịn Phơi thép tấm Phơi thép tấm Cắt phơi đạt kích thước chiều dài Cắt phơi đạt kích thước chiều rộng Cắt pha phơi thành các thanh Sửa nguội, nắn thẳng Cắt đạt kích thước chiều dài Sửa nguội, nắn phẳng Sửa nguội, nắn phẳng Gia cơng đạt kích thước thiết kế Uốn tạo hình chi tiết Lắp ráp tổ hợp khung vỏ khối trao đổi nhiệt Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 42 - Các thanh tăng cứng dọc được cắt phơi trên máy cắt tơn sau đĩ gia cơng đạt kích thước thiết kế. - Các đai kẹp và tấm kẹp được cắt đạt kích thước chiều dài, chiều rộng trên máy cắt tơn, sau đĩ được gia cơng cơ để đảm bảo kích thước thiết kế. Khi cắt đạt kích thước chiều dài và chiều rộng, sản phẩm tạo ra sẽ bị cong do đĩ phải tiến hành nắn phẳng lại trên máy nắn chuyên dùng. - Bán thành phẩm sau khi nắn được uốn tạo hình trên máy ép thủy lực trong khuơn tạo hình đạt kích thước theo thiết kế - Các thanh tăng cứng ngang được chế tạo từ phơi thép tấm cán nĩng, từ phơi cĩ kích thước lớn ban đầu được cắt pha thành những dải cĩ kích thước yêu cầu. Sau khi cắt, phơi được nắn thẳng trên bàn ép. Các thanh được nắn thẳng xong sẽ được gia cơng cơ đạt kích thước bao hình, sau đĩ khoan các lỗ lắp thanh tăng cứng dọc. - Tổ hợp phần khung vỏ khối trao đổi nhiệt: Lắp ghép thanh tăng cứng dọc và ngang trước, hàn các đai kẹp với các thanh tăng cứng dọc và ngang, tiếp theo hàn đính các tấm kẹp 4 gĩc. - Sau khi lắp ráp tổ hợp khung vỏ, tiến hành kiểm tra các kích thước lắp ghép. Khung vỏ phải đảm bảo kích thước lắp các tấm trao đổi nhiệt bên trong lẫn lắp ghép bên ngồi. III.2.4 Sơ đồ cơng nghệ lắp ráp tổ hợp khối trao đổi nhiệt: Lắp ráp tổ hợp khung vỏ khối trao đổi nhiệt Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 43 - Sau khi các cơng đoạn chế tạo các phần tử của khối trao đổi nhiệt hồn thành, tiến hành lắp ráp tổ hợp chúng thành một khối thống nhất. Quá trình lắp ráp tổ hợp một khối trao đổi nhiệt được mơ tả như sơ đồ trên, trong đĩ các phần tử trao đổi nhiệt và tấm ngăn được lần lượt sắp xếp vào khung vỏ theo trình tự xác định. Khi đã xếp đủ số lượng các phần tử trao đổi nhiệt và tấm ngăn trong một khối, sử dụng máy ép thủy lực để ép chặt tồn bộ khối trao đổi nhiệt đồng thới tiến hành hàn hồn thiện các mối ghép nối. Lực ép chặt được tính tốn vừa đủ để ép chặt các tấm trao đổi nhiệt đồng thới khơng làm biến dạng biên dạng của các tấm nhằm đảm bảo khe hở giữa các tấm trao đổi nhiệt và tấm ngăn đúng chỉ tiêu thiết kế đảm bảo lưu lượng, áp suất của dịng khí và khĩi nĩng. Lắp ráp các phần tử trao đổi nhiệt và tấm ngăn Lắp nắp chắn phía trên khối trao đổi nhiệt Hàn hồn thiện khối trao đổi nhiệt Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 44 CHƯƠNG IV ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CƠNG NGHỆ GIẢM THIỂU MỨC ĐỘ MỊN HỎNG CỦA THIẾT BỊ IV.1 Tình trạng của hiện tượng rị rỉ thiết bị dẫn đến mịn hỏng thiết bị Trường hợp cụ thể các thiết bị sấy nĩng khơng khí hồn nhiệt kiểu quay, nhiều nhà máy khơng thể hạn chế được tác động tiêu cực của việc rị rỉ thiết bị sấy nĩng bởi vì họ sử dụng những phương pháp và/hoặc thiết bị đo khơng cĩ khả năng tính đến các ảnh hưởng gián tiếp. Thiết bị sấy nĩng khơng khí hồn nhiệt kiểu quay thu giữ và sử dụng lại khoảng 60% nhiệt lượng thốt ra ngồi lị hơi, nếu khơng, năng lượng này sẽ bay đi mất theo đường ống khĩi. Với một nhà máy nhiệt điện chạy than cơng suất 500 MW, năng lượng sử dụng lại cĩ thể lên tới khoảng 1,5 triệu Btu mỗi giờ, và nhờ sử dụng lại nhiệt lượng này, cĩ thể giảm mức tiêu hao nhiên liệu khoảng 1.500 tấn mỗi ngày. Mặc dầu phần lớn các kỹ sư kiểm nhiệt đều thừa nhận sấy nĩng khơng khí thuộc số những yếu tố quan trọng nhất gĩp phần đảm bảo hiệu suất nhiệt của nhà máy (cĩ lẽ chỉ đứng sau bình ngưng hơi), nhưng nhiều người cịn chưa nhận thức được đầy đủ những rắc rối về tính năng thiết bị sấy nĩng khơng khí và tác động của chúng đối với việc vận hành và hiệu suất của nhà máy. Tác động này nhiều khi cịn được đánh giá quá thấp, cụ thể là theo một qui trình thường được sử dụng để đo mức độ rị rỉ thiết bị sấy nĩng khơng khí, định nghĩa về rị rỉ được nêu ra với nghĩa quá hẹp. Định nghĩa chính thức về rị rỉ thiết bị sấy nĩng khơng khí được nêu như sau: Khối lượng khơng khí đi từ phía khơng khí sang phía khĩi. Trong tính tốn, giả định rằng lượng khơng khí này rị rỉ từ lối khơng khí vào sang lối khĩi ra. Ngành điện sử dụng định nghĩa hẹp này bởi vì rị rỉ khơng khí trực Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 45 tiếp là loại rị rỉ duy nhất cĩ thể dễ dàng đo được trong thực tiễn. Tuy nhiên, sử dụng định nghĩa khơng chính xác này sẽ dẫn đến kết luận sai lầm là tác động bất lợi duy nhất của sự rị rỉ thiết bị sấy nĩng khơng khí đối với tính năng của nhà máy là việc tăng cơng suất quạt giĩ cần thiết để bơm khơng khí rị rỉ. Mặc dầu yêu cầu tăng cơng suất quạt là đáng kể (đến 3MW cho một lị máy), nhưng đây chỉ là một phần trong vấn đề cần bàn. Đánh giá thấp rị rỉ thiết bị sấy nĩng khơng khí là điều đáng tiếc bởi vì, bởi vì để giảm rị rỉ tương đối khơng tốn kém nhưng lại đem lại lợi ích kinh tế lớn. Chèn tốt thiết bị sấy nĩng khơng khí cĩ thể giảm cơng suất nhiệt của nhà máy được tới 75Btu/kWh, nhờ đĩ nâng cao sản lượng điện và doanh thu. Rị rỉ quá mức ở thiết bị sấy nĩng khơng khí cĩ thể dẫn đến nhiều vấn đề phiền phức khác, cụ thể như: • Xuống cấp nghiêm trọng tính năng các thiết bị lọc khơng khí ở phía sau (lọc tĩnh điện, túi lọc, tháp lọc). • Giảm nhiệt độ khơng khí sơ cấp và do đĩ giảm cơng suất máy nghiền than, đặc biệt khi sử dụng than ướt. • Tăng nguy cơ hoả hoạn hoặc nổ máy nghiền. • Hạn chế phụ tải và giảm cơ hội bán điện năng do sử dụng quạt giĩ cơng suất khơng thích hợp, đặc biệt khi thời tiết ấm. • Tăng phát thải NOx và tổn thất khi cháy. • Ngọn lửa khơng ổn định ở phụ tải thấp, điểm bắt lửa khơng cố định, ngọn lửa bập bùng. • Giảm quá nhiệt quá mức do tăng cường truyền nhiệt bằng đối lưu mà nguyên nhân là do lưu lượng khĩi gia tăng. • Cơng suất nhiệt tăng và hay bị tắc thiết bị sấy nĩng khơng khí. • Tăng tốc độ ăn mịn lưới thiết bị sấy nĩng khơng khí phía đầu nguội. Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 46 Thiết bị sấy nĩng khơng khí hồn lưu thu hồi nhiệt trong khĩi thốt từ lị hơi bằng cách cho khĩi chạy qua các phần tử kim loại thu nhiệt. Các phần từ này quay liên tục để chúng lần lượt tiếp xúc với khĩi nĩng và khơng khí lạnh đầu vào tạo nên bởi các quạt hút cưỡng bức trong nhà máy. Nhiệt thu vào sau đĩ được toả vào trong khơng khí lạnh và thổi trở lại vào lị hơi. Rất khĩ cĩ thể chèn kín các loại thiết bị sấy nĩng này do chúng cĩ đường kính lớn (đến 18m) và chênh lệch lớn nhiệt độ giữa các phần nĩng và lạnh (khoảng 220oC), hai yếu tố này kết hợp khiến rơto bị biến dạng do nhiệt. Khơng hiếm xảy ra trường hợp các cạnh ngồi của thiết bị sấy nĩng khơng khí bị sã xuống đến hơn 5 cm so với khi lạnh. Do vậy, trong điều kiện hiện nay chưa cĩ cơng nghệ nào cĩ thể chèn kín được hồn tồn thiết bị sấy nĩng khơng khí. Tỉ lệ rị rỉ của thiết bị sấy nĩng khơng khí tương ứng với tỉ lệ phần trăm tổng lưu lượng giĩ đi tắt qua thiết bị sấy nĩng khơng khí (đi vào hoặc từ lị hơi đi ra). Điều bất ngờ là đã cĩ trường hợp tỉ lệ rị rỉ đo được ở một số thiết bị sấy nĩng khơng khí lên tới gần 50%, cịn nếu tỉ lệ này chỉ khoảng 20% thì đã được nhiều kỹ sư kiểm nhiệt đánh giá là tốt nhất trong khả năng của chúng ta. Với tỉ lệ số lớn đến như vậy nên một số nhà máy đã phải chi hàng triệu USD cho việc lắp đặt những quạt giĩ lớn hơn để bù cho lượng rị rỉ lớn của thiết bị sấy nĩng khơng khí. Điều tệ hại hơn là vì phần lớn lượng giĩ dư này đi tắt qua thiết bị sấy nĩng khơng khí để rồi lọt vào thiết bị kiểm sốt ơ nhiễm khơng khí. Tỉ lệ rị rỉ cao cũng cĩ thể làm tăng đáng kể chi phí vốn và chi phí vận hành các tháp lọc, buồng lọc, bộ lọc vải, v.v. Thế nhưng khi được hỏi về tỉ lệ rị rỉ thiết bị sấy nĩng khơng khí, nhiều kỹ sư nhà máy lại đưa ra những con số thấp hơn hẳn so với thực tế. Nhìn bề Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 47 ngồi, cĩ vẻ như các tỉ lệ được nêu trong báo cáo đã được đo và tính tốn đúng phép. Thế nhưng kinh nghiệm cho thấy, khi tiến hành các phép đo theo tiêu chuẩn ASTM và ASME, con số thực tế lại lớn hơn rất nhiều so với kỹ thuật đo kiểu ước lượng. Ví dụ về kỹ thuật ước lượng này là tính tốn dựa trên các dữ liệu từ các hệ thống đo lường - kiểm nhiệt: các thiết bị theo dõi O2 lắp đặt cố định hoặc đo O2 bằng thiết bị cầm tay, bỏ qua việc áp dụng tiêu chuẩn ASTM. Hình IV-1. Phân bố O2 tại lối vào của phía xả của bộ sấy nĩng khơng khí hồn lưu kiểu quay Để hiểu vì sao các phương pháp đo quen dùng cĩ thể dẫn đến kết quả đánh giá quá thấp tỉ lệ rị rỉ ở thiết bị sấy nĩng khơng khí, ta hãy xem xét phương pháp được sử dụng để tính tốn tham số này. Phương pháp được chấp nhận để xác định lượng rị rỉ từ thiết bị sấy nĩng khơng khí là đo nồng độ ơxy tại lối vào và lối ra phía khĩi. Để đơn giản hố bài tốn, cĩ thể nêu cơng thức ở dạng rút gọn như sau: Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 48 Tỉ lệ rị rỉ (%) = [100 x (O2 ở lối ra - O2 ở lối vào)] / [20,9 - O2 lối ra] Với số 20,9 là tỉ lệ phần trăm của ơxy trong khơng khí. Như vậy, nếu như nhà máy cĩ thiết bị theo dõi O2 lắp cố định, và nếu kết quả đo của thiết bị này cho thấy nồng độ O2 ở lối vào thiết bị sấy nĩng khơng khí là 2,75% và ở lối ra là 5,75% thì tỉ lệ rị rỉ tính tốn sẽ là 17,9%. Tuy nhiên, nếu như số lượng cổng lấy mẫu khơng đủ (thường thì thiếu cả ở lối vào và lối ra) thì kết quả phép đo nồng độ O2 ở lối ra sẽ là khơng đúng. Nếu như sử dụng lưới đo đầy đủ hơn và chính xác hơn, nồng độ O2 thực tế ở đầu vào cĩ thể chỉ là 0,25%. Điền giá trị O2 đầu vào nhỏ hơn nhiều này vào tử số của cơng thức trên sẽ cĩ được kết quả đo rị rỉ là 34%, tức là gần gấp đơi tỉ lệ tính được trước đĩ. Hình IV-2. Phân bố ơxy trong khĩi thải tại lối ra thiết bị sấy nĩng khơng khí của lị máy đốt than cơng suất 600 MW Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 49 Hình IV-3. Phân bố tốc độ khĩi thải tại lối ra thiết bị sấy nĩng khơng khí của chính lị máy nĩi trên. Khi đo nồng độ O2 tại lối vào và lối ra bộ sấy nĩng khơng khí, điều tối quan trọng là phải nhận thức được rằng phân bố O2 và phân bố tốc độ cĩ thể khác nhau rất nhiều giữa các điểm đo. Mỗi kết quả đo về áp lực tốc độ cần đi kèm với kết quả đo nồng độ O2 thì mới cĩ thể thu được kết quả chính xác. Thậm chí tại một số điểm, áp lực tốc độ tại lối ra của thiết bị sấy nĩng khơng khí cĩ thể cĩ giá trị âm, khiến cho việc đo được chính xác càng trở nên khĩ khăn. Ngồi ra, vị trí các điểm lấy mẫu phải phản ánh thực tế là một phần quan trọng lượng rị rỉ từ thiết bị sấy nĩng khơng khí ra ngồi tổ lị đi sát thành đường ống. Khuyến nghị nên đặt các điểm lấy mẫu ít nhất là một phép đo cho 4 ft2 (≈0,37 m2) diện tích đường ống, điểm đầu và điểm cuối khơng cách thành ống quá 9 inch (≈23 cm). Rất ít nhà máy thực hiện phép đo mức rị rỉ thiết bị sấy nĩng khơng khí với số điểm lấy mẫu nhiều như vậy, tuy nhiên nếu như hiểu rằng đánh giá đúng vấn đề cĩ thể thu được lợi ích lớn về tính năng thì việc phải chi phí để cĩ được kết quả thử nghiệm chính xác là hồn tồn xứng đáng. Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 50 Chỉ cần sai số phép đo O2 ở mức ±0,2% tại lối vào và lối ra của thiết bị sấy nĩng khơng khí cũng cĩ thể dẫn tới sai số lớn khi tính tốn rị rỉ của thiết bị này. Lắp đặt thiết bị theo dõi thường xuyên O2 khơng thể đảm bảo mức chính xác như vậy, và như cĩ thể thấy rõ trên các hình IV-2 và IV-3, khả năng đặt các thiết bị theo dõi cố định để cĩ được kết quả đo mang tính đại diện xem ra rất xa vời. Hai hình vẽ này dựa trên số liệu thực tế các phép đo thực hiện tại đầu ra thiết bị sấy nĩng khơng khí của một lị máy đốt than cơng suất 600 MW. Cĩ thể thấy rõ các tham số biến thiên trong phạm vi rất rộng như vẫn thường gặp khi cần đo chính xác tỉ lệ rị rỉ thiết bị sấy nĩng khơng khí. Ít khi người ta ngờ rằng rị rỉ thiết bị sấy nĩng khơng khí lại ảnh hưởng đến tính năng thiết bị kiểm sốt ơ nhiễm về phía hạ lưu. Nhưng trên thực tế lại là như vậy. Trong trường hợp buồng lọc (baghouse), nếu giảm được 20 % tổng lưu lượng khơng khí (bằng cách giảm rị rỉ thiết bị sấy nĩng) sẽ tạo ra tỉ lệ khơng khí/vải tốt hơn, từ đĩ giảm được độ sụt áp và hiện tượng rách túi lọc. Những lợi ích này cũng đạt được nếu tăng nhiệt độ khơng khí vào buồng lọc, bằng cách giảm lượng khơng khí lạnh lọt qua các bộ chèn hướng kính của thiết bị sấy nĩng khơng khí, thốt ra theo khĩi thải. Những lợi ích của việc cắt giảm rị rỉ thiết bị sấy nĩng khơng khí, đối với hiệu quả thu bụi của bộ lọc tĩnh điện (electrostatic precipitator - ESP) lại cịn lớn hơn. Hiệu suất thu bụi của bộ lọc tĩnh điện tăng theo diện tích thu giữ riêng (specific collection area - SCA) - tức là theo tỉ số giữa diện tích điện cực thu giữ bụi và lưu lượng khĩi tại lối vào bộ lọc tĩnh điện - nhưng theo hàm số mũ. Giảm được tỉ lệ rị rỉ đương nhiên là lưu lượng khĩi sẽ giảm và SCA tăng. SCA cao là rất quan trọng bởi vì phần lớn các bộ lọc tĩnh điện giờ đây đều phải vận hành với hiệu suất khoảng 99,5% để phù hợp với các qui định Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 51 của Nhà nước. Cách mà ngành điện thường phải thực hiện để nâng cao hiệu quả thu giữ bụi là chi hàng triệu, thậm chí hàng trăm triệu USD cho việc bổ sung và/hoặc nâng cấp thiết bị lọc bụi tĩnh điện. Cũng cĩ thể đạt được hiệu quả như vậy nhưng với chi phí thấp hơn nhiều, đĩ là giảm tỉ lệ rị rỉ thiết bị sấy nĩng khơng khí. Cần phải nhận thức rõ ràng là rị rỉ thiết bị sấy nĩng khơng khí tác động bất lợi đến nhiều lĩnh vực hoạt động của nhà máy, khơng đơn giản chỉ là việc phải tăng cơng suất quạt khĩi. Do tác động của nĩ đến cả nhà máy, nên cơng tác bảo dưỡng hệ thống chèn kín thiết bị sấy nĩng khơng khí phải được đưa vào diện ưu tiên hàng đầu. Các bộ chèn thiết bị sấy nĩng khơng khí và các bề mặt ăn khớp với nhau tất nhiên dần dần sẽ bị mài mịn, và chúng được thiết kế để dễ dàng thay thế. Phương cách đơn giản mà lại hiệu quả về chi phí để cải thiện độ kín của thiết bị sấy nĩng khơng khí, đĩ là thơi khơng sử dụng nữa các bộ chèn thiết bị sấy nĩng khơng khí truyền thống, hoặc như người ta thường gọi, kiểu tiêu chuẩn. Do chúng chẳng qua chỉ là những dải thép mỏng định hình nên các bộ chèn tiêu chuẩn khơng thể chèn kín và nhiều khi bị biến dạng hoặc hư hại do chênh lệch áp lực lớn tạo khi lắp đặt các thiết bị kiểm sốt ơ nhiễm khơng khí ở phía hạ lưu. Trong khi đĩ, thực tế chứng tỏ các bộ chèn thiết bị sấy nĩng khơng khí thế hệ mới, với tính năng cao, cĩ khả năng cắt giảm tỉ lệ rị rỉ thiết bị sấy nĩng khơng khí tới 50%, hoặc cao hơn, so với các bộ chèn tiêu chuẩn. Một số chèn kiểu mới hơn sử dụng kết cấu hộp xếp để tạo ra lực đàn hồi, giữ bộ chèn luơn tiếp xúc với với bề mặt ghép (tấm hình quạt) trên một dải rộng chênh lệch áp suất và rơto bị chùng xuống. Cũng cĩ loại chèn cĩ tên là chèn khố đường chu Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 52 vi. Loại chèn này được sử dụng trên đường chu vi của rơto thiết bị gia nhiệt khơng khí. Chúng làm giảm được lượng khơng khí thốt, và được thiết kế để chịu được hư hại khi rơto bị chùng xuống. Do hiện tượng dãn nở, co ngĩt khi nhiệt độ độ thay đổi, tất cả các thiết bị sấy nĩng khơng khí hồn nhiệt kiểu quay đều tạo khe hở lúc rộng lúc hẹp, tuỳ theo phụ tải. Rị rỉ thiết bị sấy nĩng khơng khí ảnh hưởng rất lớn đến cơng suất nhiệt của nhà máy điện, đến cơng suất yêu cầu của quạt giĩ, đến tính năng sấy khơ và nghiền than, đến hiệu quả thu giữ bụi của bộ lọc tĩnh điện và tháp lọc, v.v. Nhiều nhà máy đã để mất cơ hội bán được hàng mấy trăm MWh mỗi ngày chỉ vì rị rỉ quá lớn ở thiết bị sấy khơng khí. Vào thời kỳ cao điểm, thiệt hại về doanh thu mỗi ngày cĩ thể lên tới 100.000 USD. Tác hại về mặt kinh tế của rị rỉ thiết bị sấy nĩng khơng khí là rất nghiêm trọng, tuy nhiên phần lớn các nhà máy điện vẫn cịn đánh giá quá thấp mức độ rị rỉ bởi họ khơng biết cách đo chính xác. Phép đo rị rỉ phải dựa trên lưới điểm đo ở cả hai phía thiết bị sấy nĩng khơng khí, và phải đo đồng thời nồng độ O2 cộng với tốc độ dịng khĩi. Cuối cùng, các điểm thử nghiệm phải được bố trí sao cho bao hàm những phần cĩ mức độ rị rỉ cao (điển hình là những điểm nằm gần vách đường ống). Hình IV-4. Loại chèn cĩ tính năng cao kiểu hộp xếp, tiếp xúc với tấm hình quạt Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 53 Chỉ dựa vào thiết bị theo dõi liên tục nồng độ O2 hiện cĩ chắc chắn sẽ dẫn đến kết luận sai lầm, tính năng của thiết bị sấy nĩng khơng khí xác định được thường cao hơn rất nhiều so với thực tế. Các hệ thống theo dõi liên tục tính năng mà phần lớn các nhà máy hiện nay vẫn sử dụng để tính tốn tỉ lệ rị rỉ là đúng về mặt tốn học, nhưng vì dữ liệu đầu vào khơng chính xác nên kết quả thu được trở nên vơ dụng. Mặt khác, đầu vào của bộ sấy khơng khí là những nơi cĩ nhiệt độ kim loại nhỏ nhất. Khi nhiệt độ tại những điểm này nhỏ hơn nhiệt độ bão hịa ở phần áp suất của một khí nào đĩ cĩ trong khĩi thì khi ấy sẽ bị ngưng đọng lại trên ống và cĩ thể gây nên ăn mịn ống. Nhiệt độ cao nhất của vách ống mà chất khí trong dịng khĩi cĩ thể ngưng đọng được nhiệt độ đọng sương hay điểm sương. Rõ ràng quá trình ăn mịn chỉ xẩy ra ở bề mặt đốt cĩ nhiệt độ kim loại thấp hơn nhiệt độ điểm sương. Bảng sau trình bày nhiệt độ ngưng đọng tính tốn của hơi nước nguyên chất trong khĩi ở các phân áp suất ứng với các nhiên liệu khác nhau Nhiên liệu Độ ẩm nhiên liệu, W1v , % Phần áp suất của hơi nước PH2O, MN/m2 Nhiệt độ bắt đầu ngưng đọng, oC Anthraxit Than gầy Than bùn Mazut 6,5 5,5 40 3 0,00363 0,0053 0,01678 0,00903 27 34 56 44 Ngay cả đối với than bùn cĩ độ ẩm hơn phân áp suất của hơi nước trong khĩi nước, nhưng nhiệt độ ngưng đọng cũng khơng quá 60oC trong tất cả các bề mặt đốt của lị hơi, nên nếu nhiên liệu khơng cĩ lưu huỳnh thì hiện tượng ngưng đọng hơi nước và do đĩ hiện tượng ăn mịn sẽ khơng thể xẩy ra được, thực ra nhiệt độ đọng sương của khĩi cao hơn nhiệt độ ngưng Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 54 đọng của hơi nước nguyên chất của phân áp của hơi nước trong khĩi rất nhiều. Đĩ là do trong khĩi cĩ anhydrit sunfuric SO3, chúng sẽ liên kết với hơi nước tạo thành axit sunfuric H2SO4, hơi axit này cĩ nhiệt độ ngưng đọng cao hơn nhiều so với của hơi nước nguyên chất. Khi đốt nhiên liệu, lưu huỳnh bị oxy hĩa chủ yếu để tạo thành khí sunfurơ SO2 và chỉ cĩ một lượng rất ít, khoảng 0,8-2,5% SO2 tạo thành SO3 do SO2 bị oxy hĩa tiếp theo 2SO2 + O2 2SO3 + 2,96 kg/gmol Phản ứng này là một phản ứng thuận nghịch, chiều của phản ứng sẽ chuyển sang phải khi trong khĩi cĩ nhiều oxy và khi chuyển động trong đường khĩi cĩ nhiệt độ khĩi giảm dần (thuận lợi cho điều kiện sinh nhiệt của phản ứng). Chất xúc tác là sắt oxit ở nhiệt độ 425oC-625oC cũng cĩ ảnh hưởng rất lớn đến việc oxy hĩa SO2 thành SO3. Ngồi ra trong nhiên liệu cịn cĩ những chất ức chế cĩ tác dụng kìm hãm quá trình tạo thành SO3. Chính vì vậy mà khi đốt những loại nhiên liệu khác nhau cĩ cùng một lượng lưu huỳnh nhưng chưa chắc lượng SO3 tạo thành và do đĩ mức độ ăn mịn đã giống nhau. Anhydrit sunfuric sẽ kết hợp với hơi nước để tạo thành hơi axit sunfuric H2SO4 SO3 + H2O H2SO4 Tùy theo nồng độ và nhiệt độ của hơi này mà cĩ thể ngưng đọng thành axit sufuric H2SO4. Trong khĩi ngồi H2SO4 cịn cĩ hơi nước, sự cĩ mặt đồng thời của hai chất này đã làm cho nhiệt độ đọng sương tăng lên rất nhiều. Quá trình ngưng đọng của hơi axit sufuric sẽ xẩy ra khi giảm nhiệt độ của hỗn hợp hơi H2O và H2SO4 nghĩa là khi tiếp xúc với bề mặt ống lạnh. Như vậy nồng độ của dung dịch H2SO4 đĩng trên mặt ống phụ thuộc Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 55 vào nồng độ và phần áp suất của hỗn hợp H2O và H2SO4 trong khĩi. Nhiệt độ của vách ống trong cùng một bề mặt truyền nhiệt khơng giống nhau, do đĩ nồng độ dung dịch H2SO4 cũng khơng giống nhau trên mặt ống. Chính vì vậy mà cường độ ăn mịn xảy ra khơng đồng đều trên các ống của bề mặt truyền nhiệt. Nồng độ mà tại đấy cĩ ăn mịn cực đại thì khác nhau đối với các vật liệu khác nhau. Ví dụ đối với thép cacbon, nồng độ này bằng 52%. Khi tăng nồng độ lớn hơn trị số này, tốc độ ăn mịn trên thép cacbon sẽ giảm đi đột ngột (trong phạm vi 52-56%) và kể từ nồng độ 70% trở đi, tốc độ ăn mịn hầu như khơng đổi. Khi tăng nhiệt độ, tốc độ ăn mịn tăng lên ứng với mỗi trị số nồng độ H2SO4 cố định. Như vậy khi thay đổi nhiệt độ vách, nồng độ dung dịch đọng lại trên vách thay đổi đồng thời nhiệt độ dung dịch cũng thay đổi theo. Vì vậy mà tốc độ ăn mịn phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ vách. Do nồng độ dung dịch H2SO4 đạt tới cực đại khi nhiệt độ vách bằng nhiệt độ đọng sương mà ở nồng độ này tốc độ ăn mịn thường nhỏ hơn cực đại nên nhiệt độ vách ứng với khi cĩ ăn mịn cực đại thường nhỏ hơn nhiệt độ đọng sương. Ta thấy ăn mịn xảy ra mạnh nhất ở nhiệt độ vách ứng với nồng độ cĩ ăn mịn cực đại. Khi giảm tiếp theo nhiệt độ, nồng độ axit giảm đi, tốc độ ăn mịn giảm đi cho đến trị số cực tiểu theo tỷ lệ gấp đơi so với sự giảm nhiệt độ vách. Sau đĩ nếu tiếp tục giảm nhiệt độ nữa thì tốc độ ăn mịn sẽ tăng lên do ảnh hưởng của nồng độ dung dịch axit đến tốc độ ăn mịn mạnh hơn ảnh hưởng của sự giảm nhiệt độ. Đối với lị hơi trong nhà máy điện, ăn mịn ở nhiệt độ thấp chủ yếu cĩ ở bộ sấy khơng khí cấp một. Để giảm thiểu sự ăn mịn của bộ sấy khơng khí, đề tài xin đề xuất một số giải pháp như sau. Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 56 IV.2 Giải pháp đề xuất IV.2.1 Giảm lượng lưu huỳnh cĩ trong nhiên liệu tới mức tối thiểu đồng thời giảm lượng SO3 sinh ra trong khĩi; IV.2.2 Dùng vật liệu bền vững chịu được tác dụng ăn mịn của axit; IV.2.3 Nâng nhiệt độ vách ống tới mức cao hơn nhiệt độ đọng sương; Trong các biện pháp trên biện pháp giảm lượng lưu huỳnh cĩ trong nhiên liệu chỉ cĩ tác dụng đối với thành phần lưu huỳnh khống (cĩ trong quặng pyrit FeS2) của nhiên liệu rắn. Đối với nhiên liệu khác và thành phần khác của lưu huỳnh trong nhiên liệu thì khơng giải quyết được. Vì vậy biện pháp này khơng thể coi là biện pháp duy nhất mà phải đi kèm các biện pháp khác. Đối với lượng lưu huỳnh đã đưa vào trong buồng lửa, người ta tìm cách hạn chế việc tạo thành SO3 trong khĩi bằng các phương pháp sau: • Hạn chế tới mức tối thiểu lượng khơng khí thừa đưa vào buồng lửa, đồng thời nâng cao nhiệt độ buồng lửa (làm cho chiều thuận của phản ứng tạo thành SO3 khĩ xảy ra). Buồng lửa thải xỉ lỏng và buồng lửa đốt mazut cĩ αbl=1,03-1,05 cĩ rất ít SO3 tạo thành. • Dùng những chất mà khi đưa vào trong đường khĩi cĩ tác dụng hấp thu SO3 hay trung hịa H2SO4 tạo thành trên ống. Những chất đo là manhêtit, dolomit, amoniac, trong đĩ dùng amoniac kinh tế hơn, sản phẩm tạo thành là amoni sunfat (NH4)2SO4 làm phân bĩn tốt. Biện pháp dùng những vật liệu bền vững chống ăn mịn của axit H2SO4 gặp nhiều khĩ khăn do mỗi loại thép bị ăn mịn cực đại ở một nồng độ nào đĩ mà nồng độ này thì khác nhau ở các phần khác nhau của ống (do nhiệt độ của vách ống khác nhau). Bản thân thép khơng gỉ Cr-Ni cũng khơng hồn tồn bền vững dưới tác dụng ăn mịn của axit H2SO4, mà giá thành vật tư lại đắt tiền. Ngồi ra người ta cũng sử dụng biện pháp tráng men ống và ống bằng Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 57 thủy tinh cho bộ sấy khơng khí, song khi ấy cần bảo đảm lớp men khơng bị vỡ tại những chỗ ống nối với đĩa. Biện pháp tăng nhiệt độ vách ống cao hơn nhiệt độ đọng sương là biện pháp được sử dụng rộng rãi nhất. Để khảo sát các biện pháp này, trước hết ta tính nhiệt độ vách ống bộ sấy khơng khí, theo truyền nhiệt ta cĩ: ( ) ktr tr k k kkk kkk k k kk kk v tt tt λ δ λ δ αα λ δ α +++ −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ + += 1 1 1 1 1 11 1 Trong đĩ: tk. tkk - Nhiệt độ khối và khơng khí, oC vt1 - Nhiệt độ vách về phía khĩi, oC kα , kkα - Hệ số tản nhiệt từ khĩi tới vách và từ vách từ khơng khí, W/m2.oC ( )kkk k kk kk v tttt − + += α α 1 1 1 , oC Từ phương trình trên ta thấy để tăng nhiệt độ vách thì cần: - Tăng nhiệt độ khĩi tại chỗ đầu vào của khơng khí - Giảm hệ số tản nhiệt về phía khơng khí ( kα ) - Tăng nhiệt độ của khơng khí ở đầu vào Để tăng nhiệt độ khĩi ở đầu vào bộ sấy khơng khí, người ta cĩ thể đặt đầu vào của bộ sấy khơng khí ở chỗ cĩ nhiệt độ khĩi cao. Cách đặt này làm cho một phần bề mặt đốt bộ sấy khơng khí cĩ lưu động thuận chiều, làm giảm hiệu quả truyền nhiệt. Để giảm hệ số tản nhiệt về phía khơng khí, người ta tăng tiết diện đường khơng khí đi (tăng chiều cao hay bước ống ngang khơng khí). Song biện pháp Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 58 này khơng cĩ hiệu quả khi cĩ tro bám lên ống (khơng bỏ qua được nhiệt trở của lớp tro). Tăng nhiệt độ của khơng khí đi vào bộ sấy khơng khí được thực hiện bằng cách gia nhiệt cho khơng khí trước khi đi vào bộ sấy khơng khí. Nguồn gia nhiệt để gia nhiệt cĩ thể trích từ dịng khơng khí nĩng (vì vậy biện pháp này được gọi là tái tuần hồn khơng khí). Biện pháp này cĩ nhược điểm là tốn thêm điện năng cho việc tự dùng. Nguồn gia nhiệt khơng khí cũng cĩ thể trích từ tuarbin. Khi ấy khơng khí được gia nhiệt trong bình gia nhiệt khơng khí (calorife). Nước ngưng sau khi gia nhiệt được đưa về đường nước cấp, do đĩ độ chênh nhiệt độ trong bộ hâm nước giảm đi, làm giảm hiệu quả truyền nhiệt, nhiệt độ khĩi thải tăng lên. Song về mặt sử dụng hơi trích của tuarbin thì lại làm tăng hiệu suất của chu trình nhiệt. Nhìn chung biện pháp tăng nhiệt độ khơng khí ở đầu vào cĩ nhược điểm là làm tăng nhiệt độ khĩi thải, hiệu suất của lị hơi giảm đi. Tuy nhiên biện pháp này dùng tái tuần hồn khơng khí đơn giản nên được sử dụng rất rộng rãi trong các nhà máy điện. Người ta cũng cĩ thể phân bộ sấy khơng khí cấp một thành nhiều phần, trong đĩ phần cĩ thể bị ăn mịn ở nhiệt độ thấp được thay bằng bộ sấy khơng khí bằng gang, cĩ khả năng chống ăn mịn tốt hơn thép. Về mặt chống ăn mịn ở nhiệt độ thấp thì bộ sấy khơng khí loại hồi nhiệt đạt hiệu quả cao nhất. Nĩ được sử dụng rộng rãi khi đốt nhiên liệu nhiều lưu huỳnh, đặc biệt là mazut nhiều lưu huỳnh. Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 59 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Đề tài : ‘‘Nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất tới 300MW ’’ là dạng đề tài nghiên cứu cĩ tính ứng dụng thực tiễn cao. Bộ sấy khơng khí là một dạng thiết bị truyền nhiệt nằm phía sau lị hơi, tận dụng nhiệt của khĩi sau khi ra khỏi lị hơi, cĩ tác dụng nâng cao hiệu suất lị hơi. Việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí phục vụ cho các nhà máy nhiệt điện sẽ gĩp phần thúc đẩy cơng cuộc CNH-HĐH đất nước, giúp các đơn vị chủ động sản xuất, tiết kiệm giá thành chế tạo, tiến tới nội địa hĩa dần các thiết bị cơ khí lớn. • Đề tài đã hồn thành đúng và đầy đủ các mục tiêu đã đề ra : - Nghiên cứu tổng quan về thiết bị bộ sấy khơng khí. - Đưa ra cơ sở lý thuyết, các tính tốn truyền nhiệt trong bộ sấy khơng khí loại hồi nhiệt. - Bản vẽ kỹ thuật thiết kế mơđun bộ sấy khơng khí. - Các quy trình cơng nghệ chế tạo mơđun bộ sấy khơng khí. - Giải pháp cơng nghệ đề xuất để giảm thiểu mức độ mịn hỏng trong điều kiện vận hành thực tế. - Sản phẩm của đề tài đã được chấp nhận và đưa vào lắp ráp vận hành tại Cơng ty Nhiệt điện Phả Lại. • Ý nghĩa về mặt kinh tế - Việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo thành cơng bước đầu mở ra triển vọng cho việc chế tạo bộ sấy khơng khí loại hồi nhiệt với nguồn lực trong nước, giúp các đơn vị sản xuất chủ động trong cơng tác thay thế, sửa chữa, bảo dưỡng thiết bị, sản phẩm chế tạo trong nước sẽ cĩ giá thành sấp xỉ 1/2÷2/3 giá Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 60 nhập ngoại với sản phẩm tương đương của các nước G7, điều này sẽ gĩp phần làm giảm giá thành chế tạo khi xây dựng nhà máy nhiệt điện. • Đề xuất của đề tài: Tại Việt Nam, Viện Nghiên cứu Cơ khí là đơn vị đầu tiên triển khai nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành cơng modul bộ sấy khơng khí dạng quay và đưa vào vận hành thực tế. Với mong muốn được đĩng gĩp hơn nữa vào sự phát triển của ngành cơ khí chế tạo, nhĩm đề tài xin đề xuất một số ý kiến sau : - Tiếp tục cho phép đề tài nghiên cứu và phát triển tồn diện và sâu hơn về bộ sấy khơng khí cho các loại lị hơi cĩ cơng suất khác nhau. - Tạo điều kiện cho đề tài phát huy kết quả sau khi nghiên cứu thành cơng về cơng nghệ chế tạo các phần tử trao đổi nhiệt của bộ sấy khơng khí, tiến tới tính tốn, thiết kế chế tạo hồn chỉnh các loại bộ sấy khơng khí bằng nội lực trong nước. Với sự phối hợp chặt chẽ và trách nhiệm giữa Viện Nghiên cứu Cơ khí và Cơng ty Nhiệt điện Phả Lại, nhĩm đề tài Viện Nghiên cứu Cơ khí đã hồn thành đề tài cấp bộ ‘‘Nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất tới 300MW". Đề tài đã chế tạo thành cơng các mơđun của bộ sấy khơng khí đưa vào vận hành tốt tại Cơng ty Nhiệt điện Phả Lại. Cĩ được kết quả như vậy, nhĩm đề tài xin trân trọng cảm ơn Bộ Cơng Thương, Viện Nghiên cứu Cơ khí, Cơng ty Nhiệt điện Phả Lại, các chuyên gia, cộng tác viên đã tạo điều kiện giúp đỡ, phối hợp và cộng tác nhiệt tình, chặt chẽ, đầy tinh thần trách nhiệm. Xin trân trọng cảm ơn ! Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 61 MỘT SỐ HÌNH ẢNH CHẾ TẠO 01 MODUL BỘ SẤY KHƠNG KHÍ Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 62 Khuơn dập tạo prơfin tấm lượn sĩng Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 63 Cắt pha thép tấm trước khi dập tạo prơfin tấm lượn sĩng Đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sấy khơng khí của hệ thống trao đổi nhiệt nhằm tận dụng nhiệt của khí thải, tăng hiệu suất lị hơi trong tổ hợp thiết bị nhiệt điện cơng suất đến 300MW” CNĐT - KS. Phạm Văn Quế - TT. GCAL-NARIME/2007 64 Tấm lượn sĩng và prơfin sau khi dập Đề