Giáo trình Lò hơi (Phần 2)

các tạp chất không phải kim loại, các bọt khí, hay chế độ nhiệt luyện không đúng,) làm giảm chất l−ợng của nó. Yêu cầu độ dai va đập cao là một trong những yêu cầu quan trọng nhất đối với thép lò hơi, mặc dù đặc tính này của thép không dùng trong tính toán sức bền. Các cơ tính của kim loại bị thay đổi khi tăng nhiệt độ (xem hình vẽ 11.2). h 11.1. Giản đồ ứng của thép Ver. 1.0 236 Từ hình 11.2 ta thấy giới hạn chảy giảm liên tục khi tăng nhiệt độ. Giới hạn bền lúc đầu giảm, sau khoảng nhiệt độ 50 100ữ oC thì nó bắt đầu tăng và đạt cực đại ở 250 300ữ oC, rồi sau đó lại giảm. Độ giảm càng lớn nếu kim loại chịu ứng suất càng lâu. Sự giảm giới hạn chảy ở nhiệt độ cao khi tăng thời gian duy trì phụ tải trên mẫu đ−ợc gọi là hiện t−ợng rão, đó là quá trình tích lũy biến dạng dẻo d−ới tác dụng của phụ tải không đổi và nhiệt độ. Đ−ờng cong điển hình của quá trình rão đối với thép trong hệ tọa độ độ giãn dài - thời gian ở nhiệt độ đã cho của kim loại đ−ợc biểu diễn trong hình vẽ 11.3. Ta thấy có ba giai đoạn đặc tr−ng, hay còn gọi là ba pha rão. Trong giai đoạn một (pha thứ nhất), độ giãn dài d− tăng lên nhanh chóng. Trong pha thứ hai thì biến dạng tiến triển với tốc độ đồng đều. Và ở pha thứ ba lại có sự gia tốc độ tăng của biến dạng d− và dẫn đến phá hủy kim loại. Cho nên, quá trình phát triển hiện t−ợng rão phụ thuộc chủ yếu vào ứng suất, nhiệt độ và thời gian làm việc. Theo độ nghiêng của đoạn bc ta xác định đ−ợc tốc độ rão đồng đều: r lv τ ∆= , %/h (11-5) Hiện nay đối với các chi tiết của lò hơi cho phép tốc độ rão 510rv −= %/h, nghĩa là sau 100.000 h phục vụ chi tiết có thể tích lũy biến dạng không lớn hơn 1%. Tiêu chuẩn để đánh giá hiện t−ợng rão là độ bền lâu dài tDσ , đó là khả năng của kim loại tiếp nhận phụ tải trong một thời gian nhất định mà không bị phá hủy. 11.2 Các loại thép dùng trong chế tạo lò hơi 11.2.1 Những yêu cầu chung đối với thép để chế tạo lò hơi Thép dùng để chế tạo lò hơi cần phải đáp ứng đ−ợc những yêu cầu chung sau đây: Hình 11.3. Các đ−ờng cong rão của kim loại. 1-ở nhiệt độ t1; 2-ở nhiệt độ t2 (t1 < t2) Hình 11.2. ảnh h−ởng của nhiệt độ đến cơ tính của thép. Ver. 1.0 237 - Có độ bền và độ dẻo cao; - Có độ ổn định cấu trúc cao. Trong quá trình làm việc của lò hơi thì cấu trúc thép không đ−ợc phép có thay đổi gì đáng kể; - Có độ bền nhiệt cao, tức là khả năng giữ nguyên đ−ợc những đặc tính bền cần thiết khi làm việc trong điều kiện ứng suất và nhiệt độ cao; - Có độ ổn định hóa học cao. Tính ổn định hóa học là cần thiết để ngăn ngừa ăn mòn bề mặt đốt của lò; - Có hàm l−ợng các tạp chất có hại ở mức độ tối thiểu (P, S, As, các khí hòa tan), vì chúng có ảnh h−ởng xấu đến tính chất của thép khi làm việc lâu dài; - Có tính hàn tốt, không yêu cầu dùng các ph−ơng pháp hàn và nhiệt luyện phức tạp và đắt tiền. Trong thực tế, thép cacbon, thép hợp kim thấp và thép hợp kim cao đ−ợc sử dụng rộng rãi để chế tạo các bộ phận của lò hơi. 11.2.2 Thép cacbon Đa số các chi tiết của lò hơi đ−ợc chế tạo bằng thép cacbon. Khi tăng hàm l−ợng cacbon (C) trong thép thì độ bền của nó tăng và tính dẻo giảm xuống. Trên quan điểm độ bền thì dùng thép có hàm l−ợng C cao, tuy nhiên khi đó chất l−ợng mối hàn nối sẽ giảm vì có sự tôi thép trong không khí khi hàn. Vì thế hàm l−ợng C trong thép cacbon dùng để chế tạo lò hơi đ−ợc hạn chế rất nghiêm ngặt, cụ thể là 0,25C %≤ . Ngoài ra, trong thép còn có các thành phần khác là Mn, Si, S, P và O2. Mangan (Mn) đ−ợc đ−a vào thép để khử ôxy của thép trong quá trình nấu chảy và nó nằm trong thép d−ới trạng thái hòa tan (với số l−ợng 0,3 0,8%ữ ). Silic (Si) cũng giống nh− Mn, đ−ợc đ−a vào thép để làm chất khử ôxy. Một l−ợng nhỏ Si 0,5< % còn lại sau khi khử ôxy đ−ợc hòa tan trong ferit. Si làm tăng độ bền của thép nh−ng cũng làm tăng cả khuynh h−ớng kết tinh lại sau khi có biến dạng dẻo nhỏ. Photpho (P) là nguyên tố không muốn có trong thép vì nó làm giảm độ dai va đập ka và có khả năng sinh ra giòn nguội. Hàm l−ợng P trong thép lò hơi không đ−ợc lớn hơn 0,045% . L−u huỳnh (S) là tạp chất có hại vì nó tạo điều kiện sinh ra giòn nóng, nghĩa là phá hủy giòn thép ở nhiệt độ 800 1200ữ oC. Trong các thép lò hơi hàm l−ợng S đ−ợc hạn chế ở trị số 0,03 0,045%ữ . Ôxy (O2) cũng nh− nitơ (N2) và hydrô (H2) nằm lại trong thép do khử khí không hoàn toàn. O2 trong thép với một l−ợng nhỏ cũng làm giảm tính chống ăn mòn của thép. Hàm l−ợng O2 và N2 trong thép có chất l−ợng 0,01%≤ và hàm l−ợng H2 0,001%≤ . Để chế tạo bao hơi của lò hơi có áp suất thấp, áp suất trung bình và áp suất nâng cao, 6,0p < MPa, ta dùng thép cacbon có chất l−ợng nhãn hiệu 15K, 20K, 25K (của Nga) hoặc t−ơng đ−ơng. Đối với lò hơi có áp suất 0,08p < MPa có thể dùng thép cacbon chất l−ợng th−ờng 3CT , nếu nhiệt độ kim loại không lớn hơn 120 oC. Để Ver. 1.0 238 chế tạo bao hơi của lò cao áp, 6 12,5p = ữ MPa thì phải dùng thép cacbon nhãn hiệu đặc biệt 22K hoặc t−ơng đ−ơng. Các ống dẫn n−ớc, dẫn hơi và ống bề mặt đốt th−ờng đ−ợc chế tạo từ thép 10 và 20 và t−ơng đ−ơng. Khi ấy nhiệt độ kim loại ống bề mặt đốt không đ−ợc lớn hơn 500 oC, kim loại ống góp và ống dẫn hơi không lớn hơn 450 oC. 11.2.3 Thép hợp kim thấp và hợp kim cao 11.2.3.1. Thép hợp kim thấp Việc tăng nhiệt độ kim loại đến 300 350ữ oC làm giảm đáng kể giới hạn chảy. Ngoài ra ở nhiệt độ 500> oC không những giảm rõ rệt sức cản rão mà cũng bắt đầu ôxy hóa mạnh. Do vậy phải bổ sung các nguyên tố hợp kim cho thép để tăng độ bền và tính chống gỉ. Phạm vi nhiệt độ sử dụng thép hợp kim thấp cho các chi tiết chính của lò hơi đ−ợc nêu trong bảng 11.1 sau đây. Bảng 11.1. Phạm vi nhiệt độ sử dụng thép hợp kim thấp. Phạm vi sử dụng, oC Mác thép ống góp và ống dẫn hơi Các ống bề mặt đốt 12MoCr 540 540 15CrMo 560 565 12Cr1MoV 585 595 15Cr1Mo1V 595 − 12Cr2MoVSiB − 620 11.2.3.2. Thép hợp kim cao Việc dùng hơi có thống số siêu cao và tr−ớc hết là tăng nhiệt độ hơi quá nhiệt đến 600 oC đã yêu cầu phải dùng thép hợp kim cao cho các tầng cuối và ống góp ra của bộ quá nhiệt. Các mác thép hợp kim cao dùng trong chế tạo lò hơi cao áp gồm có: 1Cr12W2MoV, 2Cr12WMoNbVB, 1Cr18Ni10Ti, 1Cr18Ni12Ti, 1Cr14Ni18W2NbB,  11.2.3.3. Các loại thép đặc biệt Bảng 11.2. Thép dùng để chế tạo giá đỡ, giá treo, kẹp, thiết bị thổi. Mác thép Nhiệt độ bắt đầu ôxy hóa mạnh, 0C SiCr6 750 SiCr6Mo 750 Cr17 900 Cr28 1100 1Cr20Ni14Si2 1000 Ver. 1.0 239 Các giá treo, giá đỡ, các chi tiết giữ, thiết bị thổi tro bụi làm việc trong điều kiện nặng nề không đ−ợc làm mát nên thép dùng để chế tạo các chi tiết ấy phải có tính chịu nóng cao. Các mác thép dùng để chế tạo các chi tiết giữ gồm có 30CrMo, 35CrMo, 38Cr, và 40Cr. Những chi tiết nh− giá đỡ, giá treo, kẹp, thiết bị thổi th−ờng đ−ợc chế tạo bằng các mác thép nh− đ−ợc cho trong bảng 11.2. 11.3 Tính sức bền của những chi tiết chính của lò hơi 11.3.1 Ph−ơng pháp tính Các bộ phận chịu áp lực bao gồm bao hơi, hộp góp, ống góp, ống của các bề mặt truyền nhiệt, mặt sàng, ống lò, ống lửa. Tính sức bền là để xác định chiều dày vách hay áp suất làm việc cho phép trong chi tiết. Khi tính sức bền thiết kế thì ta có thể biết tr−ớc áp suất làm việc, đ−ờng kính và cấu tạo của chi tiết. Do đó cần chọn kim loại và ứng suất cho phép của kim loại ứng với điều kiện làm việc đã cho. ở đây phải xác định chiều dày vách. Khi tính kiểm tra sức bền thì cho biết: đ−ờng kính và cấu tạo của chi tiết, chiều dày vách, kim loại và ứng suất cho phép của nó. Cần phải xác định áp suất làm việc cho phép trong chi tiết. Yêu cầu nhất thiết đối với lò hơi là đạt độ an toàn tối đa khi tiêu hao kim loại là tối thiểu. ở đây tồn tại hai ph−ơng pháp tính sức bền các chi tiết của lò hơi là ph−ơng pháp ứng suất giới hạn và ph−ơng pháp phụ tải giới hạn. Các nhà khoa học đã đi đến kết luận là tính sức bền theo phụ tải giới hạn sẽ kinh tế hơn, vì đối với một chi tiết có thể cho phép mang phụ tải lớn hơn phụ tải ứng với ứng suất giới hạn. Trong các tiêu chuẩn tính toán ng−ời ta dùng ph−ơng pháp phụ tải giới hạn để tính sức bền các chi tiết lò hơi. 11.3.1.1. Chọn ứng suất cho phép Tr−ớc khi tính sức bền phải xác định ứng suất cho phép đối với vật liệu đã cho và nhiệt độ tính của từng chi tiết. ứng suất cho phép đ−ợc xác định dựa vào nhiệt độ tính toán của vách (nhiệt độ kim loại) và mác thép. Tính sức bền các chi tiết lò hơi theo ứng suất cho phép sau: *cp cpσ ησ= , (11-6) trong đó: η là hệ số kể đến đặc điểm cấu tạo và vận hành của chi tiết; *cpσ là ứng suất cho phép định mức, lấy theo bảng. Nếu nh− thép sử dụng mà không có những số liệu về *cpσ thì nó đ−ợc lấy bằng giá trị nhỏ nhất trong ba giá trị sau đây: 2,6 t * b cp σσ ≤ ; 1,5 t * ch cp σσ ≤ ; 1,5 t * D cp σσ ≤ , (11-7) ở đây: tbσ , tchσ , tDσ là những giá trị đ−ợc bảo đảm ở nhiệt độ làm việc t của vách. 11.3.1.2. Nhiệt độ tính toán của vách Ver. 1.0 240 Nhiệt độ tính toán của vách để xác định *cpσ đ−ợc lấy phụ thuộc vào loại và nhiệt độ môi chất chứa trong phần tử tính toán và vào những điều kiện đốt nóng phần tử bởi khói và làm lạnh bởi môi chất. Trong mọi tr−ờng hợp nhiệt độ tính toán của vách không đ−ợc lấy thấp hơn 250 oC. a- Nhiệt độ tính toán của vách bao hơi và các panen chứa chất lỏng hay hơi bão hòa lấy nh− sau: - Đối với bao hơi đặt ngoài đ−ờng khói hay cách nhiệt tốt thì v bhòat t= (11-8) - Đối với bao hơi không cách nhiệt đ−ợc đặt trong đ−ờng khói đối l−u, khi nhiệt độ khói 600khóit ≤ oC: 1,2 10,t t S= + + ov bhòa C (11-9) khi nhiệt độ khói 600 900o okhói C Ct< ≤ : 2,5 20,t t S= + + ov bhòa C (11-10) - Đối với các bao hơi không cách nhiệt và các panen làm mát chịu bức xạ của ngọn lửa hay của lớp nhiên liệu đang cháy: 4 30,t t S= + + ov bhòa C (11-11) trong đó S là chiều dày định mức của vách, mm. b- Nhiệt độ tính toán của vách ống lò đ−ợc tính theo các công thức sau: - Đối với các ống trơn: 4 60,t t S= + + ov bhòa C (11-12) - Đối với các ống l−ợn sóng: 5 60,t t S= + + ov bhòa C (11-13) c- Nhiệt độ tính toán vách các ống sôi lấy nh− sau: - Trong các lò hơi có tuần hoàn tự nhiên không phụ thuộc vào áp suất làm việc và ở các lò có tuần hoàn c−ỡng bức nhiều lần khi áp suất làm việc 16,0lvp ≤ MPa: 60,t t= + ov bhòa C (11-14) - Đối với lò hơi có tuần hoàn c−ỡng bức nhiều lần khi áp suất làm việc 16,0lvp > MPa và lò hơi trực l−u không phụ thuộc vào áp suất ta sẽ lấy nhiệt độ tính toán từ kết quả tính nhiệt và thủy động của lò hơi. d- Nhiệt độ tính toán của vách ống bộ quá nhiệt: ( ) 2 1 1000 1v tb max St t t qàβ λ β α ⎛ ⎞= + ∆ + +⎜ ⎟⎜ ⎟+⎝ ⎠ , oC (11-15) trong đó: tbt là nhiệt độ trung bình của hơi l−u động bên trong ống; t∆ là chênh lệch nhiệt độ của hơi trong từng ống so với nhiệt độ của hơi trong cả chùm ống, max( )tbt t t∆ = − và không đ−ợc lấy nhỏ hơn 10 oC; à là hệ số khuếch tán nhiệt không đều theo chu vi ống; maxq là c−ờng độ dòng nhiệt lớn nhất hay suất phụ tải nhiệt lớn Ver. 1.0 241 nhất của bề mặt hấp thu nhiệt, kW/mK; β là tỷ số giữa đ−ờng kính ngoài và đ−ờng kính trong của ống / /( 2 )n t n nD D D D Sβ = = − ; S là chiều dày vách (thành) ống, mm; λ là hệ số dẫn nhiệt của kim loại ống, kW/mK. - Đối với các ống của bộ quá nhiệt đối l−u ở các lò hơi có 2,5lvp ≤ MPa và nhiệt độ hơi quá nhiệt không cao hơn 425 oC thì: 70 ov qn Ct t= + (11-16) e- Nhiệt độ tính toán của vách các ống bộ hâm n−ớc đ−ợc tính theo các công thức sau: - Đối với bộ hâm n−ớc của lò có tuần hoàn tự nhiên và tuần hoàn c−ỡng bức nhiều lần kiểu không sôi: 30 ov bhòa Ct t= + (11-17) - Đối với bộ hâm n−ớc kiểu sôi tính theo công thức của các ống sôi. - Đối với bộ hâm n−ớc của lò hơi trực l−u: 40 ov tb Ct t t= + ∆ + (11-18) f- Nhiệt độ tính toán của vách ống góp dàn ống sinh hơi, ống góp bộ hâm n−ớc và bộ quá nhiệt lấy nh− sau: - Đối với những ống góp không bị đốt nóng (đặt ngoài đ−ờng khói hay cách nhiệt chắc chắn) của bộ hâm n−ớc, của dàn ống sinh hơi và ống góp hơi bão hòa của lò hơi có tuần hoàn tự nhiên và tuần hoàn c−ỡng bức nhiều lần, ống góp vào của bộ hâm n−ớc ở lò trực l−u, ta lấy: v tbt t= (11-19) - Đối với các ống góp của bộ quá nhiệt (trừ ống góp hơi bão hòa) lấy: v tbt t x t= + ∆ , (với 0,5x = ) (11-20) 11.3.2. Tính sức bền một số chi tiết (phần tử) của lò hơi 11.3.2.1. Chiều dày vách của chi tiết hình trụ chịu áp suất bên trong (bao hơi, ống góp): Chiều dày vách của chi tiết hình trụ chịu áp suất bên trong (bao hơi, ống góp) đ−ợc xác định theo các công thức sau: - Khi tính theo đ−ờng kính trong ta có: 2 t cp p DS C pϕσ= +− , m (11-21) - Khi tính theo đ−ờng kính ngoài ta có: 2 ng cp p D S C pϕσ= +− , m (11-22) trong đó: p là áp suất tính toán, MPa; Dt và Dng là đ−ờng kính trong và đ−ờng kính ngoài, m; ϕ là hệ số bền của chi tiết bị yếu đi do các mối hàn hay có các lỗ để nối ống; Ver. 1.0 242 cpσ là ứng suất cho phép của vật liệu, MPa; C là bổ sung cho chiều dày tính toán của vách, khi chiều dày tấm thép nhỏ hơn 20 mm lấy C = 1 mm, khi chiều dày tấm thép lớn hơn 20 mm lấy C = 0. 11.3.2.2. Chiều dày vách đáy bao hơi có dạng elip hay dạng cầu: Chiều dày vách đáy bao hơi có dạng elip hay dạng cầu đ−ợc xác định theo công thức sau: 4 2 t t cp t p D DS C z p hσ= +− , m (11-23) nếu thoả mãn điều kiện: 0,2; 0,1; 0,6.t t t t h S C d D D D −≥ ≤ ≤ Trong công thức trên ký hiệu: p là áp suất tính toán, MPa; Dt là đ−ờng kính trong, m; ht là chiều cao phần lồi của đáy tính đến bề mặt bên trong, m; cpσ là ứng suất cho phép của vật liệu, MPa; C là bổ sung cho chiều dày tính toán, C = 0,05 (S - C) nh−ng không nhỏ hơn 1 mm; z là hệ số tính đến sự làm yếu đáy do có các lỗ, lấy tuỳ thuộc thông số ( )t da D S C = − : khi 0,4a ≤ lấy z = 1,0; khi 0,4 2a≤ < lấy ( ) 2 1, 25 1,5 z a = + ; khi a > 2 lấy z = 2(a + 2). Hình 11.4. Đáy lồi dạng elip. a - không có lỗ ở tâm; b - có lỗ ở tâm. 11.3.2.3. Chiều dày vách đáy tròn phẳng và nắp phẳng : Chiều dày vách đáy tròn phẳng và nắp phẳng đ−ợc xác định theo công thức: Ver. 1.0 243 1 0 t cp K D pS K σ= , m (11-24) trong đó: K là hệ số kể đến tỷ số giữa chiều dày vách ống góp và chiều dày đáy, 1 0, 41 1 0, 23 SK S ⎛ ⎞= −⎜ ⎟⎝ ⎠ phải không nhỏ hơn 0,31; K0 là hệ số đ−ợc lấy tuỳ thuộc vào tỷ số giữa đ−ờng kính lỗ ở đáy d và đ−ờng kính trong của ống góp Dt, tức là tỷ số t d D : Khi t d D < 0,35 có K0 = 1- 0,43 t d D , Khi 0,35 0,75 t d D ≤ ≤ lấy K0 = 0,85; p là áp suất tính toán, MPa; cpσ là ứng suất cho phép của vật liệu, MPa. 11.4.2.4. Chiều dày vách các ống bề mặt truyền nhiệt và ống dẫn: Chiều dày vách các ống bề mặt truyền nhiệt (sinh hơi, quá nhiệt, hâm n−ớc) và ống dẫn đ−ợc xác định theo các công thức sau: Khi tính theo đ−ờng kính trong của ống: 12 t cp p dS C pσ +− , m (11-25) Khi tính theo đ−ờng kính ngoài của ống: Hình 11.5. Các kiểu đáy và nắp phẳng. Ver. 1.0 244 12 ng cp p d S C pσ= ++ , m (11-26) trong đó: p là áp suất tính toán, MPa; ,ng td d là đ−ờng kính ngoài và đ−ờng kính trong của ống, m; cpσ là ứng suất của vật liệu làm ống, MPa; C1 là bổ sung cho chiều dày tính toán, th−ờng lấy C1 = 0,5 mm. 245 Ch−ơng 12. Vận hành lò hơi 12.1. Các chế độ vận hành lò hơi Nhiệm vụ chủ yếu khi vận hành lò hơi là đảm bảo sự làm việc tin cậy, an toàn của lò hơi trong một thời gian dài với việc đạt đ−ợc độ kinh tế cao nhất khi sản xuất đủ l−ợng hơi yêu cầu và tuân thủ đồ thị phụ tải. Việc vận hành lò hơi phải thực hiện đúng quy trình vận hành. Trong quy trình vận hành cho biết các thông số của hơi, n−ớc, khói và không khí ở công suất định mức, công suất tối thiểu, tối đa, trung gian và độ chênh lệch cho phép của các thông số ấy. Phụ tải định mức là phụ tải tính toán dùng để xác định kích th−ớc của các bề mặt truyền nhiệt trong lò hơi ứng với các thông số của hơi và hiệu suất của lò đã cho tr−ớc. Phụ tải tối thiểu của lò hơi phụ thuộc kiểu lò hơi, dạng nhiên liệu và biện pháp đốt. ở lò hơi có bao hơi, tuần hoàn tự nhiên phụ tải tối thiểu bằng 30ữ40% phụ tải định mức do phải đảm bảo sự tuần hoàn tin cậy của môi chất (n−ớc và hỗn hợp hơi n−ớc) và sự cháy ổn định của nhiên liệu. ở lò hơi trực l−u phụ tải tối thiểu đ−ợc chọn theo điều kiện làm việc tin cậy của các dàn ống sinh hơi và th−ờng bằng 25ữ30% phụ tải định mức. Chế độ làm việc của lò hơi đ−ợc đặc tr−ng bởi giá trị của phụ tải và tổ hợp các thông số xác định mức độ kinh tế của quá trình sản xuất hơi. Chế độ làm việc ổn định là chế độ mà giá trị của mọi thông số xác định sự làm việc của lò hơi không thay đổi trong một thời gian dài. Tuy nhiên trong chế độ làm việc ổn định vẫn cho phép các thông số có sự chênh lệch ít nhiều so với giá trị trung bình vì có sự thay đổi nhiệt l−ợng sinh ra trong buồng lửa, l−ợng không khí cấp vào lò. Nếu sự chênh lệch của các thông số nói trên không nhiều so với chế độ ổn định thì ta có chế độ không đổi. Vì thế chế độ không đổi đ−ợc coi là gần với chế độ ổn định. Trong chế độ làm việc ổn định của lò hơi, quan hệ giữa các thông số ra và vào đ−ợc thể hiện qua các đặc tính tĩnh. Ví dụ một trong các đặc tính tĩnh là quan hệ giữa các tổn thất nhiệt và hệ số không khí thừa (hình vẽ 12.1). 246 ở đây các thông số nh−: chất l−ợng nhiên liệu, phụ tải của lò hơi, α đ−ợc coi là không thay đổi. Khi tăng "blα thì thể tích và nhiệt độ của khói trên đ−ờng khói đi trong lò sẽ tăng lên, do đó q2 tăng lên. Nhiệt độ khói tăng khi tăng " blα vì mức nhiệt độ trong buồng lửa giảm và đ−ơng l−ợng n−ớc của khói Wk tăng lên dẫn đến giảm độ chênh nhiệt độ và vì vậy giảm l−ợng nhiệt hấp thu của các bề mặt truyền nhiệt. Tổn thất nhiệt q4 lúc đầu giảm sau đó tăng lên. Sở dĩ q4 tăng mặc dù "blα lớn là do giảm mức nhiệt độ trong buồng lửa và giảm thời gian l−u lại của các hạt nhiên liệu trong buồng lửa. Tổng các tổn thất nhiệt có giá trị cực tiểu ứng với "blα tối −u. Giá trị của "blα tối −u phụ thuộc vào phụ tải của lò hơi. Các đặc tính tĩnh cho phép xác định chế độ tối −u của quá trình cháy nhiên liệu và do đó cho ta khả năng đảm bảo sự làm việc kinh tế nhất của lò hơi. Trên cơ sở các đặc tính tĩnh ta xác định đ−ợc phạm vi điều chỉnh cần thiết các thông số chính của lò hơi đồng thời các đặc tính tĩnh cũng cho những số liệu ban đầu để tính toán các đặc tính động lực học của lò hơi. Chế độ làm việc thay đổi là chế độ mà lò hơi làm việc với các công suất hơi của lò khác nhau. Do công suất hơi của lò phải thay đổi phù hợp với phụ tải của hộ tiêu thụ. Muốn thay đổi công suất hơi của lò hơi ta phải thay đổi l−u l−ợng n−ớc cấp, l−ợng nhiên liệu, l−ợng không khí cấp vào lò và l−ợng khói thải ra khỏi lò. Có thể coi chế độ làm việc thay đổi gồm nhiều chế độ làm việc không đổi nối tiếp nhau. Hình 12.1. Quan hệ giữa tổn thất nhiệt trong lò hơi và hệ số không khí thừa. 247 Quá trình quá độ hay không ổn định là quá trình mà khi chuyển từ một chế độ ổn định này sang một chế độ ổn định khác thì các thông số làm việc của nó lớn cũng thay đổi từ giá trị ổn định lúc đầu sang giá trị ổn định lúc sau. Ví dụ quá trình khởi động và quá trình ngừng lò hơi là các quá trình quá độ. Hiểu biết đầy đủ các quy luật xảy ra trong quá trình quá độ là cần thiết để đ−a ra đ−ợc các hệ thống điều chỉnh tự động và đánh giá mức độ làm việc tin cậy của các phần tử lò hơi. Các công việc khi vận hành lò hơi bao gồm: chuẩn bị và khởi động lò hơi vào làm việc; trông coi, điều khiển và điều chỉnh sự làm việc của lò hơi khi vận hành bình th−ờng; ngừng lò, bảo quản và bảo d−ỡng lò hơi trong thời gian lò ngừng làm việc. 12.2. Các quá trình không ổn định trong lò hơi có bao hơi Chế độ làm việc không ổn định của lò hơi xảy ra khi mất cân bằng vật chất và cân bằng năng l−ợng do thay đổi l−ợng nhiệt sinh ra trong buồng lửa, thay đổi nhiệt độ, l−u l−ợng n−ớc cấp, thay đổi chế độ không khí của lò hơi, khi mất cân bằng giữa l−ợng hơi do lò hơi sản ra và l−ợng hơi tiêu thụ tại hộ tiêu thụ. ở lò hơi có bao hơi đ−ờng hơi n−ớc đ−ợc phân thành ba phần: phần hâm n−ớc (xảy ra trong bộ hâm n−ớc), phần sinh hơi (xảy ra trong các dàn ống sinh hơi), phần quá nhiệt (xảy ra trong bộ quá nhiệt). Bao hơi là khâu liên hệ về thủy lực giữa ba phần nói trên. 12.2.1. Sự thay đổi phụ tải nhiệt hay l−ợng nhiệt sinh ra trong buồng lửa Khi thay đổi l−ợng nhiên liệu cấp vào buồng lửa sẽ làm thay đổi l−ợng nhiệt sinh ra trong buồng lửa. Khi tăng l−ợng nhiệt sinh ra trong buồng lửa sẽ làm tăng phụ tải nhiệt của tất cả các bề mặt truyền nhiệt (bề mặt đốt), do đó công suất hơi của lò tăng lên. Khi thay đổi phụ tải nhiệt thì nhiệt độ của hơi quá nhiệt cũng thay đổi nh−ng giá trị và h−ớng thay đổi có thể khác nhau tùy thuộc vào quan hệ giữa phần đối l−u và phần bức xạ của bộ quá nhiệt. Hình vẽ 12.2 chỉ ra sự thay đổi các thông số khi tăng l−ợng nhiên liệu cấp vào buồng lửa lò hơi có bộ quá nhiệt đối l−u. Nhiệt độ hơi quá nhiệt tăng lên t−ơng ứng với sự tăng của l−u l−ợng hơi nh−ng có độ chậm trễ. Nếu bộ quá nhiệt có phần bức 248 xạ lớn thì độ quá nhiệt có thể bị giảm khi tăng phụ tải. Nói chung sự gia tăng nhiệt độ của hơi quá nhiệt phụ thuộc dạng bề mặt truyền nhiệt của bộ quá nhiệt (bức xạ hai đối l−u) nh−ng không lớn lắm. Ví dụ khi tăng phụ tải nhiệt lên 10% sự thay đổi nhiệt độ hơi quá nhiệt sau bộ quá nhiệt đối l−u nhỏ hơn 5ữ10 0C. Khi tăng phụ tải nhiệt và l−u l−ợng n−ớc cấp không thay đổi thì mức n−ớc trong bao hơi thay đổi là do tăng công suất hơi và do thải thêm một phần n−ớc từ các ống sinh hơi vào bao hơi. Hình 12.2. Sự thay đổi công suất hơi, nhiệt độ hơi quá nhiệt và mức n−ớc trong bao hơi khi thay đổi đột ngột l−ợng nhiên liệu cấp vào buồng lửa. 1-mức n−ớc khối l−ợng; 2-thành phần sôi bồng; 3-mức n−ớc trong bao hơi. Mỗi giá trị của phụ tải nhiệt t−ơng ứng với một tỉ lệ nhất định giữa thể tích n−ớc và thể tích hơi trong các ống sinh hơi. Thể tích hơi trong các ống sinh hơi tăng lên khi tăng phụ tải nhiệt điều này dẫn đến thải thêm một l−ợng n−ớc từ ống sinh hơi vào bao hơi, vì thế trong thời kỳ đầu sau khi có thay đổi phụ tải nhiệt thì mức n−ớc trong bao hơi tăng lên, sau đó giảm xuống do l−ợng hơi lấy đi lớn hơn l−u l−ợng n−ớc cấp. Thể tích n−ớc đ−ợc thải ra từ các ống sinh hơi vào bao hơi khi chuyển từ chế độ làm việc này sang chế độ làm việc khác bằng gia số thể tích của hơi, độ gia tăng này có thể xác định từ biểu thức sau: ( )2 2 1 1V n f l lϕ ϕ∆ = − , (12-1) trong đó: n và f là số ống và tiết diện của ống; 249 1ϕ và 2ϕ là hàm l−ợng hơi của hỗn hợp hơi n−ớc trong ống có chiều dài t−ơng ứng bằng l1 và l2. Khi tăng phụ tải nhiệt thì 0V∆ > và mức n−ớc trong bao hơi ở thời điểm đầu tăng lên, ng−ợc lại khi giảm phụ tải nhiệt thì 0V∆ < và mức n−ớc giảm xuống. 12.2.2. Sự thay đổi l−u l−ợng n−ớc cấp Khi lò hơi làm việc bình th−ờng thì mức n−ớc trong bao hơi dao động trong phạm vi rất nhỏ xung quanh mức n−ớc trung bình. Mức n−ớc trong bao hơi đ−ợc điều chỉnh bằng cách thay đổi l−u l−ợng n−ớc cấp. Vì thể tích n−ớc đ−ợc điều chỉnh trong bao hơi của các lò hơi công suất trung bình và lớn là rất nhỏ nên không cho phép l−u l−ợng n−ớc cấp chênh lệch nhiều so với l−u l−ợng trung bình. Khi l−u l−ợng n−ớc cấp thay đổi ít thì l−ợng nhiệt hấp thu của bộ hâm n−ớc thay đổi trong phạm vi nhỏ và có thể coi nh− không đổi vì hệ số truyền nhiệt k thực tế chỉ phụ thuộc vào hệ số tỏa nhiệt 1α . Sự thay đổi l−u l−ợng n−ớc cấp cũng ít ảnh h−ởng đến độ chênh nhiệt độ trung bình t∆ , vì t∆ đ−ợc xác định chủ yếu bởi độ chênh nhiệt độ ở chỗ vào bộ hâm n−ớc hnvt∆ nh−ng hnvt∆ thực tế là không thay đổi. Bởi vậy l−ợng nhiệt do n−ớc cấp mang vào bao hơi không phụ thuộc vào sự dao động của l−u l−ợng n−ớc cấp. L−ợng hơi do bề mặt sinh hơi sản ra phụ thuộc vào phụ tải nhiệt của bề mặt đó và vào mức độ đốt nóng n−ớc ch−a đến sôi csi∆ . Nh−ng csi∆ thay đổi rất nhỏ nên toàn bộ công suất hơi đ−ợc xác định bởi phụ tải nhiệt của các dàn ống sinh hơi chứ không phụ thuộc vào l−u l−ợng n−ớc cấp. Từ những phân tích trên đây ta thấy khi thay đổi l−u l−ợng n−ớc cấp ở lò hơi có bao hơi thì chỉ có mức n−ớc trong bao hơi bị thay đổi còn các thông số khác nh− công suất hơi, nhiệt độ của hơi thực tế không thay đổi. Nếu không khôi phục l−u l−ợng n−ớc cấp phù hợp với ph−ơng trình cân bằng vật chất thì mức n−ớc có thể không nằm trong giới hạn cho phép, đồng thời các thông số còn lại nh−: công suất hơi, nhiệt độ hơi quá nhiệt đ−ợc giữ không đổi cho đến khi bắt đầu xảy ra sự cố. 250 12.2.3. Sự thay đổi nhiệt độ n−ớc cấp Khi thay đổi nhiệt độ n−ớc cấp tức là thay đổi nhiệt l−ợng do n−ớc mang vào lò thì công suất hơi của lò giảm xuống, nhiệt độ hơi quá nhiệt tăng lên, mức n−ớc trong bao hơi giảm xuống ( 0V∆ < ). Trong thực tế sự dao động nhỏ của nhiệt độ n−ớc cấp không ảnh h−ởng đến các thông số của lò hơi. 12.2.4. Sự thay đổi độ ẩm của nhiên liệu Độ ẩm của nhiên liệu thay đổi sẽ làm ảnh h−ởng nhiều đến đặc tính làm việc của lò hơi (hình vẽ 12.3). Khi tăng độ ẩm của nhiên liệu thì nhiệt độ cháy lý thuyết giảm xuống, c−ờng độ của quá trình cháy giảm và các tổn thất nhiệt của buồng lửa q3, q4 tăng lên. Tổn thất nhiệt q2 cũng tăng do tăng thể tích và nhiệt độ của khói. Phần nhiệt do bề mặt truyền nhiệt đối l−u hấp thu tăng lên (bởi tốc độ khói tăng) và phần nhiệt do bề mặt truyền nhiệt bức xạ hấp thu giảm xuống (bởi mức nhiệt độ trong buồng lửa giảm). 12.3. Khởi động lò hơi có bao hơi Hình 12.3. Quan hệ giữa nhiệt độ cháy lý thuyết, các tổn thất nhiệt của lò hơi với độ ẩm quy dẫn của nhiên liệu. 251 Khởi động và ngừng lò hơi kèm theo sự thay đổi đáng kể của các ứng suất trong các phần tử của lò d−ới tác dụng của biến dạng nhiệt và sự thay đổi của các lực cơ học. Những ứng suất phụ sinh ra có thể đạt đến giới hạn nguy hiểm. Vì vậy khởi động và ngừng lò hơi là những thời kỳ quan trọng nhất trong vận hành lò, nguời vận hành phải biết thao tác chính xác đảm bảo độ tin cậy và an toàn cao cho lò hơi, đồng thời phải đảm bảo độ kinh tế của lò hơi nhất là các lò hơi công suất lớn và việc khởi động và ngừng lò hơi đ−ợc lặp lại nhiều lần. Khi khởi động lò hơi từ trạng thái lạnh (lò đã ngừng hoạt động lâu ngày) phải tiến hành kiểm tra và xem xét kỹ mọi thiết bị chính và phụ của lò hơi, nếu khởi động sau khi sửa chữa thì còn phải tiến hành những công việc khác nữa nh− kiềm lò. Tiến hành kiểm tra buồng lửa và đ−ờng khói sau buồng lửa để biết tình trạng của lò hơi đã sẵn sàng làm việc hay ch−a. Công nhân vận hành lò hơi phải kiểm tra các bề mặt truyền nhiệt của lò hơi, t−ờng lò, các cửa ng−ời chui, cửa thăm lửa, van phòng nổ, các vòi phun nhiên liệu, máy cấp bột than, quạt gió, quạt khói, các trang bị khác của hệ thống nghiền than, van an toàn, ống thủy, áp kế và các bộ điều chỉnh tự động sự làm việc của lò hơi, các dụng cụ kiểm tra đo l−ờng. Tr−ớc khi đốt lò phải mở các van xả khí, phải đóng các van xả đáy, phải mở van xả bộ quá nhiệt và van trên đ−ờng tái tuần hoàn giữa bao hơi và bộ hâm n−ớc. 12.3.1. Cấp n−ớc vào lò Cấp n−ớc vào lò có chất l−ợng cần thiết và có nhiệt độ bằng 50ữ90 0C. Nếu cấp n−ớc có nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn thì các chi tiết nh−: bao hơi, ống sinh hơi sẽ đ−ợc đốt nóng hay làm lạnh nhanh và không đều do đó có thể gây ra ứng suất nhiệt trong các phần tử đó. Các ống của bộ hâm n−ớc và các ống sinh hơi t−ơng đối mỏng nên việc đốt nóng nhanh, bao hơi có vách dày nên đ−ợc đốt nóng chậm hơn nhiều. Các lớp bên trong của kim loại vách bao hơi đ−ợc đốt nóng nhanh hơn những lớp bên ngoài. Hiệu số nhiệt độ trong vách bao hơi đ−ợc xác định theo công thức sau: 2 2v t x a ω∆ = , 0C (12-2) trong đó: 252 dt d ω τ= là tốc độ nâng nhiệt độ của môi tr−ờng nóng hay nói cách khác là tốc độ đốt lò, 0C/h; a c λ ρ= là hệ số dẫn nhiệt độ, m 2/h; x là chiều dày bao hơi, m. Hình 12.4. Sự thay đổi nhiệt độ theo chiều dày bao hơi. Nh− vậy sự thay đổi nhiệt độ trong chiều dày vách bao hơi xảy ra theo đ−ờng parabol bậc hai (hình vẽ 12.4). Hiệu nhiệt độ giữa bề mặt trong và bề mặt ngoài của vách bao hơi tỉ lệ với ω , cụ thể là: 2 max 2 t a ωδ∆ = , 0C (12-3) Khi độ chênh nhiệt độ trong vách bao hơi đ−ợc xác định bởi tốc độ đốt nóng kim loại thì việc cấp n−ớc vào lò hơi phải tiến hành trong khoảng thời gian từ 1ữ1,5h đối với lò hơi trung áp và từ 1,5ữ2,5h đối với lò hơi cao áp để tránh sinh ra những ứng suất lớn bên trong kim loại. 12.3.2. Sự đốt nóng bao hơi và bề mặt đốt sinh hơi trong thời gian đốt lò 253 ở các lò hơi lớn vách bao hơi sẽ bị đốt nóng không đều trong thời kỳ đầu của quá trình đốt lò. Vách phía trên bị đốt nóng nhiều hơn vách phía d−ới ( tr dt t> ). Do đó bao hơi có thể bị biến dạng uốn và trong vách có ứng suất nén và kéo bổ sung. Giá trị của các ứng suất nói trên đ−ợc xác định theo công thức: ,n k E tσ α= ∆ , N/m2 (12-4) trong đó: α = 12.10-6 mm/mmK là hệ số giãn nở nhiệt của thép; E = (2,0ữ2,1).104 N/mm2 là modul dàn hồi của thép; 2 tr dt tt −∆ = , 0C. Những biến dạng của bao hơi chỉ sinh ra trong thời kỳ có trạng thái nhiệt ch−a ổn định. Khi trạng thái nhiệt đã ổn định thì những biến dạng ấy mất đi hoặc chỉ còn rất nhỏ. Trong lò hơi có tuần hoàn tự nhiên hiện t−ợng đốt nóng và biến dạng cũng xảy ra không đều trong các dàn ống sinh hơi và ống góp do nhiệt l−ợng hấp thu của chúng khác nhau và do đó tuần hoàn ở trong chúng khác nhau. Sự đốt nóng không đồng đều các vòng tuần hoàn là nguyên nhân hạn chế tốc độ đốt lò để gia tốc việc đốt nóng các ống đ−ợc đốt nóng yếu ta phải tiến hành xả các ống góp d−ới của chúng. 12.3.3. Bảo vệ bộ quá nhiệt trong thời gian đốt lò Trong lúc đốt lò l−ợng nhiệt để sinh hơi t−ơng đối nhỏ vì phải tiêu thụ một l−ợng nhiệt lớn để đốt nóng n−ớc và kim loại lò hơi. Tuy rằng l−ợng nhiệt do khói truyền trong bộ quá nhiệt khi đốt lò nhỏ hơn so với khi lò làm việc ở phụ tải định mức nh−ng l−u l−ợng hơi qua bộ quá nhiệt cũng nhỏ nên mức độ đốt nóng ống quá nhiệt tăng lên nhanh hơn áp suất. Nhiệt độ kim loại ống bộ quá nhiệt tv đ−ợc xác định gần đúng theo công thức sau: 1 1 2 '( )v qn qn qnt t t α θα α= + −+ , 0C (12-5) trong đó: 'qnθ là nhiệt độ của khói ở phía tr−ớc bộ quá nhiệt, 0C; qnt là nhiệt độ của hơi đi trong bộ quá nhiệt, 0C. 254 ở điều kiện làm việc bình th−ờng có 1 70 90α = ữ W/m2K; 1 1700 3500α = ữ W/m2K; nh− vậy 1 1 2 0,02 0,05αα α ≈ ữ+ . Trong quá trình làm việc ở phụ tải định mức ta có 12 30v qnt t t∆ = − = ữ 0C, nh−ng trong khi đốt lò thì nhiệt độ sản phẩm cháy tăng tỉ lệ với nhiệt l−ợng sinh ra trong buồng lửa. Các ống quá nhiệt bị đốt nóng mạnh và nếu trong ống không có hơi n−ớc thì nhiệt độ vách ống tăng lên nhanh. Để tránh đốt nóng quá mức ống bộ quá nhiệt ng−ời ta cho hơi đi qua các ống quá nhiệt và xả ra ngoài trời. L−ợng hơi xả từ bộ quá nhiệt trong thời gian đốt lò bằng khoảng 10ữ15% công suất hơi của lò, khi đó tốc độ hơi đi trong các ống quá nhiệt đạt đến 2ữ3 m/s. Ng−ời ta dùng một số biện pháp để làm mát các ống bộ quá nhiệt trong khi đốt lò nh− sau: − Cho hơi đi qua các ống của bộ quá nhiệt và xả ra ngoài trời; − Đối với bộ quá nhiệt nằm ngang ng−ời ta cho n−ớc lò hay n−ớc ng−ng đi qua các ống của bộ quá nhiệt do đó giảm đ−ợc tổn thất nhiệt do xả và gia tốc đ−ợc quá trình đốt lò; − Đối với bộ quá nhiệt đặt đứng, khi ngừng lò có n−ớc ng−ng đọng lại trong nửa d−ới của các ống đứng, khi đốt lò n−ớc đọng này bốc hơi và đ−ợc xả ra ngoài trời do đó các ống đ−ợc làm mát. − Khi đã mở van cấp hơi từ lò hơi vào ống góp hơi chung thì ngừng xả bộ quá nhiệt. 12.3.4. Làm mát bộ hâm n−ớc trong thời gian đốt lò Khi đốt lò nếu những đoạn ống ở cuối bộ hâm n−ớc không đ−ợc làm mát tin cậy thì có thể sinh ra hơi quá nhiệt trong các ống này và ống sẽ bị đốt nóng quá mức. Trong khi đốt lò th−ờng cấp n−ớc theo định kỳ, l−ợng n−ớc cấp lúc đó đ−ợc xác định bởi l−ợng xả từ bộ quá nhiệt và xả bởi các ống góp d−ới của dàn ống sinh hơi. Để làm mát các ống bộ hâm n−ớc ng−ời ta đặt đ−ờng tái tuần hoàn giữa bao hơi và ống góp vào của bộ hâm n−ớc. N−ớc từ bao hơi chảy theo đ−ờng tái tuần hoàn về bộ hâm n−ớc rồi đi theo các ống của bộ 255 hâm n−ớc để trở về bao hơi (hình 12.5a,b). ở những lò hơi lớn ng−ời ta bơm n−ớc liên tục qua bộ hơi n−ớc trong lúc đốt lò và n−ớc đ−ợc xả về bình khử khí, nh− vậy không cần đ−ờng tái tuần hoàn nữa (hình 12.5c). Hình 12.5. Các biện pháp làm mát bộ hâm n−ớc. a-đặt đ−ờng tái tuần hoàn; b-đặt đ−ờng tái tuần hoàn và ejectơ; c-bơm n−ớc liên tục qua bộ hâm n−ớc. Tốc độ đốt lò bị hạn chế do các ứng suất nhiệt sinh ra trong các chi tiết của lò hơi và phải bảo đảm để tốc độ tăng nhiệt độ bão hòa trong bao hơi không lớn hơn 1,5ữ20C/phút. Thời gian đốt lò hơi có bao hơi trung áp th−ờng là 2ữ4h, lò hơi cao áp và siêu cao áp t−ơng ứng là 3ữ4h và 8ữ12h, lò hơi trực l−u là 1ữ2h. Trên hình vẽ 12.6 biểu diễn một ví dụ đồ thị đốt lò hơi cao áp. a) b) c) 256 Hình 12.6. Đồ thị đốt lò hơi cao áp. 1-áp suất hơi; 2-nhiệt độ hơi quá nhiệt; 3-nhiệt độ khói thải; a-thời điểm cho vòi phun mazút làm việc; b-khởi động quạt gió; c-cho quạt nghiền và máy cấp bột làm việc; d-mở van hơi chính; e-nối lò hơi vào ống góp hơi chung; f-cho lò hơi mang tải. 12.4. Vận hành lò hơi khi làm việc bình th−ờng Khi lò hơi làm việc bình th−ờng ng−ời vận hành có nhiệm vụ điều chỉnh công suất hơi của lò hơi phù hợp với nhu cầu của hộ tiêu thụ và đảm bảo các thông số hơi theo quy định cũng nh− độ kinh tế của quá trình cháy nhiên liệu. Các đại l−ợng và thông số d−ới đây cần phải đ−ợc điều chỉnh và duy trì: công suất hơi của lò hơi, độ kinh tế của quá trình cháy, mức n−ớc trong bao hơi, nhiệt độ hơi quá nhiệt. 12.4.1. Điều chỉnh công suất hơi của lò hơi Khi nhu cầu tiêu thụ hơi của hộ tiêu thụ thay đổi thì áp suất của hơi ở lò hơi cũng thay đổi theo. áp suất của hơi ở lò hơi sẽ tăng lên khi giảm l−ợng hơi tiêu thụ và ng−ợc lại. Ng−ời vận hành phải điều chỉnh sự làm việc của lò hơi để đảm bảo sự cân bằng giữa l−ợng hơi do lò hơi sản ra và l−ợng hơi sử dụng ở hộ tiêu thụ nhằm giữ cho áp suất của hơi ở lò hơi không thay đổi. 257 Muốn tăng công suất hơi của lò hơi cần phải tăng c−ờng quá trình cháy nhiên liệu để sinh ra đủ nhiệt l−ợng cung cấp cho n−ớc sinh hơi tức là tăng l−ợng nhiên liệu và không khí cấp vào lò với một tỉ lệ thích hợp. Ng−ợc lại khi giảm công suất hơi phải đồng thời giảm l−ợng nhiên liệu và không khí cấp vào lò. Xung l−ợng để điều chỉnh trong tr−ờng hợp này là công suất (l−u l−ợng) hơi và tốc độ thay đổi áp suất hơi p τ ∂ ∂ . Các xung l−ợng này sẽ tác động lên các bộ điều chỉnh l−u l−ợng nhiên liệu và l−u l−ợng không khí cấp vào buồng lửa lò hơi. 12.4.2. Điều chỉnh độ kinh tế của quá trình cháy Để điều chỉnh độ kinh tế của quá trình cháy phải duy trì hệ số không khí thừa tối −u ở cuối buồng lửa ( "blα ) và phân phối không khí tại các vòi phun phù hợp với l−u l−ợng nhiên liệu cấp đến vòi phun. Giá trị tối −u của "blα đ−ợc xác định trên cơ sở đảm bảo giá trị tối thiểu của các tổn thất nhiệt q3 , q4 . Khi phân phối đều nhiên liệu và không khí cho các vòi phun sẽ góp phần làm giảm nhiệt độ vách ống sinh hơi trong buồng lửa và giảm sự “vênh” (không đồng đều) của nhiệt độ khói ở cửa ra buồng lửa và tạo điều kiện thuận lợi để không có hiện t−ợng đóng xỉ trong buồng lửa. 12.4.3. Điều chỉnh và duy trì mức n−ớc trong bao hơi dao động nhỏ trong phạm vi cho phép. Khi mức n−ớc tăng lên sẽ làm tăng các giọt n−ớc lò bị cuốn theo hơi vào các ống của bộ quá nhiệt, điều này không những làm giảm chất l−ợng (độ sạch) của hơi mà còn xảy ra bám muối trên vách ống kim loại bộ quá nhiệt dẫn đến tăng nhiệt độ vách ống và ống sớm bị h− hỏng. Nếu mức n−ớc trong bao hơi quá thấp sẽ ảnh h−ởng xấu đến quá trình tuần hoàn của n−ớc và hỗn hợp hơi n−ớc trong vòng tuần hoàn tự nhiên của lò hơi (xem ch−ơng 6). 12.4.4. Điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt 258 ở lò hơi có bao hơi nhiệt độ của hơi quá nhiệt bị thay đổi khi thay đổi phụ tải của lò hơi, hệ số không khí thừa trong buồng lửa, nhiệt độ n−ớc cấp, độ ẩm của nhiên liệu, có đóng xỉ trong buồng lửa, Nhiệm vụ điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt là duy trì để nhiệt độ này dao động trong phạm vi quy định, chỉ cho phép chênh lệch với giá trị định mức từ +100Cữ -150C đối với các lò hơi trung áp và từ +50Cữ -100C đối với lò hơi cao áp và siêu cao áp. Khi điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt về phía hơi ng−ời ta đặt bộ giảm ôn kiểu bề mặt hoặc kiểu phun n−ớc thành s−ơng trực tiếp vào hơi. Để điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt đối với bộ giảm ôn kiểu bề mặt ta thay đổi l−u l−ợng n−ớc chảy trong ống chữ U của bộ giảm ôn, đối với bộ giảm ôn kiểu phun n−ớc vào hơi ta thay đổi l−u l−ợng n−ớc phun. Ng−ời ta th−ờng lấy tốc độ thay đổi nhiệt độ hơi quá nhiệt t τ ∂ ∂ và bản thân nhiệt độ của hơi sau bộ quá nhiệt tqn làm xung l−ợng để điều chỉnh. Đồng thời trong ca vận hành ng−ời công nhân vận hành lò hơi phải tiến hành thông rửa ống thủy, thử van an toàn để chứng minh van không bị kẹt, xả đáy (xả định kỳ), thổi tro bụi bám trên các dàn ống sinh hơi trong buồng lửa và các ống của bề mặt truyền nhiệt đối l−u phía sau buồng lửa, vận hành hệ thống thải xỉ, hệ thống thiết bị lọc bụi, lọc các chất khí độc hại có trong khói tr−ớc khi thải khói vào khí quyển, ghi nhật ký vận hành và xử lý các sự cố xảy ra trong ca vận hành theo đúng quy trình. 12.5. Ngừng lò hơi Quá trình ngừng lò hơi là quá trình không ổn định, ng−ời vận hành phải thực hiện việc ngừng lò hơi đúng quy trình, bảo đảm độ tin cậy, độ an toàn cao và độ kinh tế của lò hơi. Tùy theo công dụng kỹ thuật ng−ời ta phân chia việc ngừng lò hơi thành 3 kiểu sau đây: − Ngừng lò để dự phòng (nóng hay lạnh); − Ngừng lò để sửa chữa; − Ngừng lò sự cố. 12.5.1. Ngừng lò bình th−ờng để dự phòng hay sửa chữa 259 Công việc này đ−ợc tiến hành theo kế hoạch với thứ tự thao tác nh− sau: − Thải hết bột than ra khỏi phễu chứa, ở lò ghi cần đốt cháy hết than còn nằm trên ghi; − Ngừng quạt gió, sau đó ngừng quạt khói; − Sau khi ngừng quá trình cháy trong buồng lửa thì lò hơi đ−ợc ngắt khỏi ống góp hơi chung và mở van xả ở bộ quá nhiệt khoảng 30ữ50 phút để làm mát ống bộ quá nhiệt; − Làm nguội lò từ từ trong thời gian 4ữ6h, khi đó phải đóng kín các cửa ở buồng lửa và các lá chắn khói ở sau lò hơi; − Sau 4ữ6h tiến hành thông gió các đ−ờng khói bằng cách hút tự nhiên và xả lò; − Khoảng 8ữ10h sau khi ngừng lò tiến hành xả lò lần nữa và khi cần làm nguội nhanh thì cho quạt khói làm việc và xả thêm. − Qua 18ữ24h sau khi ngừng, lúc ấy nhiệt độ n−ớc trong lò hơi bằng 70ữ800C tiến hành xả từ từ n−ớc ra khỏi lò, các van xả không khí đ−ợc mở ra. Trong lúc ngừng lò hơi phải liên tục theo dõi mức n−ớc trong bao hơi và cung cấp n−ớc vào bao hơi. 12.5.2. Ngừng lò sự cố Ngừng lò sự cố trong các tr−ờng hợp sau: − Do tăng áp suất quá mức cho phép, áp suất vẫn tiếp tục tăng mặc dù đã giảm việc cấp nhiên liệu, giảm việc hút khói và cung cấp không khí và tăng c−ờng cấp n−ớc cho lò; − Khi mức n−ớc tăng hay giảm quá mức cho phép; − Khi mọi ống thủy, áp kế, bơm cấp n−ớc đều không hoạt động đ−ợc; − Khi nổ ống, phồng ống, có các vết rạn nứt hay rò rỉ ở các phần tử của lò hơi; − Khi có các tình trạng bất th−ờng nh−: tiếng động lớn, rung động mạnh, có va đập mạnh, t−ờng lò bị hỏng, khung bị nóng đỏ. 260 − Khi cháy lại nhiên liệu trong đ−ờng khói của lò hơi. Cách xử lý sự cố: Phải nhanh chóng ngắt lò hơi ra khỏi ống góp chung,ngừng cấp nhiên liệu và không khí vào lò, giảm hút khói, thải nhanh chóng nhiên liệu đang cháy trên ghi ra ngoài hoặc dùng n−ớc dập tắt nhiên liệu đang cháy trên ghi. Khi ngừng lò hơi lâu ngày (trên 1 tuần lễ) phải có những biện pháp tốt để bảo quản lò hơi khỏi bị ẩm và ôxy ăn mòn nh−: bảo quản khô, bảo quản ẩm, dùng áp suất d− trong lò hơi. 12.6. Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật vận hành lò hơi Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật chủ yếu đặc tr−ng chế độ làm việc của lò hơi gồm có các chỉ tiêu kinh tế và các chỉ tiêu chế độ làm việc. 12.6.1. Một số chỉ tiêu kinh tế 1. Hiệu suất của lò hơi − Hiệu suất thô (brutto): brbr lv t Q BQ η = , (12-6) − Hiệu suất tinh (netto): netnet lv t Q BQ η = , (12-7) trong đó: B là l−ợng nhiên liệu tiêu thụ của lò hơi, kg/s; Qbr là nhiệt l−ợng do lò sản ra, kJ; Qnet là nhiệt l−ợng hữu ích của lò hơi sau khi đã trừ tự dùng, kJ; lvtQ là nhiệt trị thấp của nhiên liệu làm việc, kJ/kg. 2. Suất tiêu hao nhiên liệu quy −ớc qub 29310 lv t qu BQb D = , t/t (12-8) trong đó 29310 kJ/kg là nhiệt trị của nhiên liệu chuẩn. 3. Suất tiêu hao điện năng cho tự dùng của lò hơi 261 Ee D = , kWh/t (12-9) trong đó E là l−ợng điện năng tự dùng của lò hơi, kWh. 4. Giá thành sản xuất hơi: là tỉ số giữa giá thành và l−ợng hơi do lò sản ra Gg D = , đồng/t (12-10) đây là chỉ tiêu quan trọng nhất phản ảnh tổ hợp mọi điều kiện vận hành lò hơi nh−: độ tin cậy, độ kinh tế, mức độ sử dụng công suất đặt, mức độ hoàn hảo của việc vận hành và sửa chữa thiết bị. 12.6.2. Một số chỉ tiêu chế độ vận hành lò hơi 1. Hệ số thời gian làm việc là tỉ số giữa thời gian làm việc của lò hơi lvτ và thời gian tính theo lịch (th−ờng tính theo năm): .100 .100 8760 lv lv lv l K τ ττ= = , % (12-11) trong đó 8760lτ = h là số giờ của một năm. Đối với các lò hơi công suất lớn 70 90%lvK = ữ . 2. Hệ số sẵn sàng là tỉ số giữa thời gian tổng mà lò hơi làm việc và ở trạng thái dự phòng với thời gian tính theo lịch: lv dpss l K τ τ τ += , (12-12) Đối với lò hơi công suất lớn 0,79 0,93ssK = ữ . 3. Hệ số sử dụng công suất đặt của lò hơi là tỉ số giữa l−ợng hơi do lò sản ra sau thời gian lvτ và l−ợng hơi mà lò có thể sản ra sau thời gian tính theo lịch lτ khi lò hơi làm việc với công suất định mức: .8760sd dm DK D ∑= . (12-13) Thay vì Ksd ng−ời ta dùng chỉ tiêu số giờ sử dụng công suất đặt: cs dm D D τ ∑= . (12-14) 262 4. Thời gian làm việc liên tục trung bình và tối đa hay theo lý thuyết độ tin cậy đó là thời gian máy hỏng. 12.7. Vấn đề bảo vệ môi tr−ờng Khi đốt cháy nhiên liệu hữu cơ trong buồng lửa lò hơi sẽ sinh ra các sản phẩm cháy thể khí bao gồm các khí 2 hoặc 3 nguyên tử nh−: cacbonoxyt CO, cacbondioxyt CO2 (khí cacbonic), khí sunfurơ SO2, khí sunfuric SO3, các nitơ ôxyt NOx,Sản phẩm cháy của nhiên liệu rắn còn có tro xỉ và tro bụi bay theo khói. Các chất khí SOx và NOx là những chất rất độc hại không những đối với ng−ời, động vật mà cả đối với thực vật và thiết bị bằng kim loại. Nguời sử dụng lò hơi phải có trách nhiệm xử lý khí độc hại và bụi có lẫn trong khói xuống bằng hoặc thấp hơn mức cho phép tr−ớc khi thải khói vào khí quyển nhằm góp phần bảo vệ môi tr−ờng. 12.7.1. Xử lý làm giảm các chất khí độc hại nh− SOx, NOx có trong khói lò hơi 1. Khí SO2 sinh ra khi cháy l−u huỳnh (S) của nhiên liệu. ở nhiệt độ cao và khi có d− ôxy thì SO2 bị ôxy hóa một phần thành SO3. Đối với nhiên liệu có hàm l−ợng l−u huỳnh cao (S > 0,5%) và đặc biệt khi có ôxy nguyên tử trong buồng lửa và ở nhiệt độ > 11500C thì sẽ sinh ra SO3. ở các bề mặt truyền nhiệt nhiệt độ thấp phía đuôi lò hơi nh− bộ sấy không khí có thể xảy ra hiện t−ợng SO3 kết hợp với H2O tạo ra axit sunfuric H2SO4 ăn mòn kim loại. Các hợp chất của l−u huỳnh nếu bay theo khói vào khí quyển sẽ rất có hại cho thế giới động vật và thực vật. Có nhiều cách để làm giảm l−ợng phát thải khí độc hại SO2 nh− sau: - Khử l−u huỳnh ra khỏi nhiên liệu tr−ớc khi đốt bằng các biện pháp cơ khí hay hóa học; - Liên kết các ôxyt của l−u huỳnh trong quá trình đốt nhiên liệu trong tầng sôi; - Dùng biện pháp hóa học để thu lại SO2 có trong khói (dùng bột đá vôi hay sữa vôi phun vào buồng đốt và buồng hoạt hóa đặt trên đ−ờng khói phía sau bộ sấy không khí của lò hơi). 263 2. Các ôxyt của nitơ: ở đây chỉ nói đến NO và NO2, ký hiệu chung là NOx. Trong buồng lửa lò hơi NO chiếm 90ữ95%, NO2 chỉ chiếm 5ữ10%. Hàm l−ợng NOx trong khói dao động trong phạm vi từ 0ữ1g/m3. Khí NO2 đ−ợc sinh ra do ôxy hóa NO khi khí này l−u lại lâu trong vùng nhiệt độ cao của buồng lửa theo phản ứng sau: 2NO + O2 = 2NO2 + 124kJ. NOx đ−ợc sinh ra từ nitơ của nhiên liệu và nitơ trong không khí cấp cho quá trình cháy. Tuy vậy khối l−ợng chính của NOx đ−ợc tạo ra do ôxy hóa khí nitơ có trong không khí ở nhiệt độ cháy cao nên đ−ợc gọi là các nitơ ôxyt nhiệt, phản ứng xảy ra theo cơ chế dây chuyền và là phản ứng thu nhiệt có dạng sau: N2 + O2 → 2NO - 825 kJ Các yếu tố đóng vai trò quyết định quá trình ôxy hóa nitơ gồm có: sự tạo thành ôxy nguyên tử ở nhiệt độ cao ( > 1550 0C), nồng độ ôxy cao và thời gian l−u lại lâu của chất cháy trong vùng cháy. Có thể dùng các biện pháp sau đây để làm giảm c−ờng độ tạo thành NOx: - Duy trì nhiệt độ trong vùng cháy mạnh nhiên liệu không cao hơn 1500ữ1550 0C bằng cách tái tuần hoàn một phần khói có nhiệt độ thấp đ−ợc hút ở phía tr−ớc bộ sấy không khí đ−a vào buồng lửa để giảm mức nhiệt độ cháy và giảm nồng độ ôxy. Khi hệ số tái tuần hoàn khói bằng 15ữ20% thì l−ợng NOx trong lò hơi đốt bột than phun giảm đ−ợc khoảng 25%. - Duy trì hệ số không khí thừa ở các vòi phun ở mức độ thấp ( 1,0 1,05α = ữ ). - Giảm đến mức tối thiểu thời gian l−u lại của nhiên liệu trong khu vực buồng lửa có nhiệt độ cao nhất bằng các biện pháp tổ chức tốt khí động trong buồng lửa. Hiện nay nhiều n−ớc trên thế giới áp dụng một số biện pháp nh− dùng vòi phun có cấu tạo đặc biệt và tổ chức quá trình cháy theo phân cấp (theo giai đoạn) để giảm sự tạo thành NOx. Cả hai biện pháp nói trên đều nhằm tổ chức quá trình cháy ở hệ số không khí thừa nhỏ ở nhiệt độ thấp. Khi đốt than theo phân cấp thì cung cấp không khí cấp 3 qua các vòi phun đặc biệt đặt cao hơn trung tâm cháy hoặc cắt việc cấp nhiên liệu vào các vòi phun của dãy đặt phía trên. Biện pháp này 264 làm giảm nhiệt độ trong vùng cháy mạnh và giảm hệ số không khí thừa. ở các vòi phun tạo ra ít NOx ta phải hoàn thiện quá trình tạo thành hỗn hợp cháy. Để thực hiện việc này ở Mỹ ng−ời ta trang bị máy ghi xoắn kép, ở Nhật ng−ời ta cấp nhiên liệu có nồng độ cao trong hỗn hợp với không khí (hỗn hợp giàu nhiên liệu, nghèo ôxy) vào một số vòi phun và nhiên liệu có nồng độ thấp (hỗn hợp nghèo nhiên liệu) vào một số vòi phun khác. Việc hoàn thiện quá trình cháy và khí động trong buồng lửa và ứng dụng các vòi phun cải tiến đã giảm đ−ợc l−ợng phát thải NOx khi đốt nhiên liệu rắn tới 2 lần (còn 0,4 0,5%≈ ữ ). ở các n−ớc Mỹ, Nhật, Đức, Trung Quốc ng−ời ta đã tạo ra nhiều kiểu vòi phun để đốt phân cấp và giảm đ−ợc l−ợng phát thải NOx xuống rất thấp, khoảng 100ữ200 ppm. 12.7.2. Khử bụi lẫn trong khói Khi đốt nhiên liệu rắn trong khói bay ra khỏi lò hơi có chứa nhiều hạt bụi, đó là các hạt tro của nhiên liệu và các hạt cácbon do cháy không hoàn toàn về cơ học. Tùy theo kiểu buồng lửa mà phần tro bụi bay theo khói có giá trị khác nhau (bảng 12.1). Bảng 12.1. Phần tro bụi bay theo khói ra khỏi buồng lửa lò hơi. Kiểu buồng lửa Phần tro bụi bay theo khói, ab ,% Buổng lửa ghi 15,0 ữ30,0 Buổng lửa phun bột than thải xỉ khô 75,0 ữ95,0 Buổng lửa phun bột than thải xỉ lỏng 40,0 ữ 55,0 Buổng lửa xyclon đứng 15,0 ữ 20,0 Buổng lửa tầng sôi 20,0 ữ 30,0 Tro bụi bay theo khói sẽ mài mòn cánh quạt của quạt khói và ống khói, khi thải vào khí quyển tro bụi có hại đối với con ng−ời và cây cỏ. Để ngăn ngừa tác hại nói trên ta phải thu gom bụi trong các bộ khử bụi. Có nhiều kiểu bộ khử bụi nh−: xyclon đơn (loại khô hay loại ẩm), xyclon chùm, bộ khử bụi bằng điện. 265 Các thông số đặc tr−ng cho sự làm việc của bộ khử bụi là hiệu suất hay hệ số phân ly (làm sạch bụi và trở lực của bộ khử bụi về phía khói). Hình 12.7. Sơ đồ bộ khử bụi bằng điện. a-kiểu tấm; b-kiểu ống. 1-khói vào; 2- khói ra; 3-điện cực thu; 4-điện cực phát; 5-cách điện; 6-biến trở; 7-máy biến thế điện. Hiệu suất phân ly đ−ợc xác định theo công thức sau: .100,lpl l r G G G η = + % (12-15) trong đó: Gl là khối l−ợng bụi thu đ−ợc trong bộ khử bụi, kg/h; Gr là khối l−ợng bụi theo khói đi ra khỏi bộ khử bụi, kg/h; Nói chung 60 99%plη = ữ và trở lực của bụi bằng từ 20ữ30 mmH2O đến 70ữ80mmH2O tùy theo kiểu bộ khử bụi. D−ới đây trình bày sơ đồ và nguyên lý làm việc của bộ khử bụi bằng điện (hình vẽ 12.7). Bộ khử bụi bằng điện gồm có các điện cực phát và các điện cực thu đ−ợc làm bằng hợp kim. Dòng khói lẫn bụi với tốc độ 1,5ữ2 m/s đ−ợc cho đi qua giữa hai điện cực của điện tr−ờng do dòng điện một chiều điện thế cao (50ữ70kV) tạo ra; các điện cực phát đ−ợc nối với cực âm còn các điện cực thu đ−ợc nói với cực d−ơng của nguồn điện và điện cực d−ơng đ−ợc nối đất. D−ới tác dụng của điện tr−ờng cao thế và sự phóng hồ quang điện sẽ xảy ra sự ion hóa khói. Các hạt bụi trong khói sẽ va chạm với các ion mang điện tích âm và đ−ợc tích điện. D−ới tác dụng của lực điện tr−ờng các hạt bụi rắn tích điện âm sẽ dịch chuyển đến điện cực d−ơng và bám lên điện cực này. Bằng cách ngắt điện và dùng cơ 266 cấu rung để làm cho các hạt bụi bám nói trên rơi vào phễu chứa của bộ khử bụi sau đó thải ra ngoài. Hiệu suất của bộ khử bụi bằng điện có thể đạt đến 99% và cao hơn và có khả năng khử đ−ợc các hạt bụi nhỏ hơn 2àm . Trở lực của bộ khử bụi bằng điện vào khoảng 20ữ30 mmH2O.