Cách tính hiệu suất nồi hơi công nghiệp

Có một số giải pháp tối ưu hóa vận hành lò hơi để cải thiện hiệu suất phân xưởng sản xuất hơi nước như sau:

• Giảm thiểu hệ số không khí thừa
• Lắp đặt thiết bị thu hồi nhiệt
• Làm sạch bề mặt trao đổi nhiệt của lò hơi
• Tăng cường xử lý nước cấp
• Lắp đặt một bộ điều khiển xả lò tự động
• Thu hồi nhiệt từ nước xả lò
• Thêm/khôi phục lớp vật liệu chịu lửa
• Giảm số lò hơi vận hành nếu có thể
• Khảo sát việc chuyển đổi nhiên liệu
• Tối ưu hóa hoạt động của bộ khử khí

1. Giảm thiểu hệ số không khí thừa

Quản lý quá trình cháy hợp lý yêu cầu cung cấp đủ lượng oxy cho buồng lửa để đốt cháy tất cả nhiên liệu nhưng không được thêm quá nhiều không khí để đảm bảo rằng lượng nhiệt tổn thất là nhỏ nhất. Quản lý quá trình cháy đánh giá các phương pháp điều khiển quá trình cháy và bắt đầu với việc đo kiểm các tham số của quá trình cháy.

Thông thường đối với lò hơi, lưu lượng cấp nhiên liệu được điều khiển bởi áp suất đầu cấp. Nếu áp suất đầu cấp giảm, bộ điều khiển sẽ tăng lưu lượng cấp nhiên liệu cho lò hơi để sinh thêm hơi, đưa áp suất trở lại điểm cài đặt. Ngược lại, nếu áp suất tăng, lưu lượng cấp nhiên nhiệu sẽ giảm đi để làm giảm lượng hơi sinh ra.

Khi lưu lượng nhiên liệu vào đốt lò hơi thay đổi, lưu lượng không khí tương ứng phải thay đổi để duy trì quá trình đốt cháy thích hợp. Có hai dạng chính của điều khiển quá trình đốt cháy:

• Điều khiển vị trí
• Tự động cắt lượng oxy

1.1 Điều khiển vị trí

Quá trình điều khiển lưu lượng không khí cấp được thực hiện bởi các truyền động cơ khí từ van không khí tới bộ điều khiển. Nó thường được gọi là điều khiển vị trí do van gió sẽ có 1 vị trí dựa trên vị trí của bộ điều khiển lưu lượng gió. Hình 1 cung cấp một sơ đồ của cơ chế điều khiển vị trí. Cần chú ý rằng, loại điều khiển này không dựa trên bất kỳ tham số oxy hay khí cháy được đo. Oxy và khí cháy được định kỳ đo để thiết lập quan hệ giữa giữa bộ điều khiển cấp gió và bộ điều khiển cấp nhiên liệu.

Hình 1: Hệ thống điều khiển vị trí

(Nguồn: Chương trình đào tạo người vận hành về cách thức vận hành tối ưu của hệ thống hơi – Bộ Năng lượng Hoa Kỳ)

“Điều chỉnh lò hơi” là một phương pháp vận hành tốt nếu được điều chỉnh định kỳ dựa trên việc xác định lại mối quan hệ giữa nhiên liệu và không khí. Nó có thể đảm bảo rằng lượng không khí sẽ được giảm thiểu với giới hạn của bộ điều khiển vị trí.

1.2 Điều khiển tự động cắt lượng oxy

Với phương pháp điều chỉnh tự động cắt lượng oxy, lượng gió cấp được điều chỉnh bằng cách kết hợp van điều chỉnh nhiên liệu và nồng độ oxy đo được trong khói thải. Dựa trên đường đặc tính (đồ thị) đốt của một nhà sản xuất đầu đốt, thiết bị điều chỉnh lưu lượng gió (van gió) được cấp một tín hiệu từ bộ điều khiển gió cấp giống như đối với điều khiển vị trí. Nhưng bên cạnh đó, lượng oxy có trong khói được đo liên tục và một mối liên hệ chặt chẽ hơn sẽ được xác lập nhằm giảm thiểu lượng không khí thừa. Tín hiệu điều khiển được thêm vào sẽ làm giảm lượng gió cấp và do đó sẽ làm giảm hệ số không khí thừa. Phương pháp này có hiệu quả hơn và tin cậy hơn so với phương pháp điều chỉnh vị trí. Hình 2 cung cấp một sơ đồ của nguyên lý điều khiển cắt lượng oxy tự động. Tại một số nhà máy, bộ điều khiển này được kết hợp với một bộ điều khiển tốc độ quạt cấp gió sẽ làm giảm lượng điện tiêu hao so với điều khiển van gió như trường hợp điều khiển vị trí.

Hình 2: Hệ thống điều khiển cắt lượng oxy tự động

(Nguồn: Chương trình đào tạo người vận hành về điểm vận hành tốt nhất của hệ thống hơi – Bộ Năng lượng Hoa Kỳ)

Dựa trên công nghệ điều khiển thương mại hiện có, Bảng 1 cung cấp mức oxy và không khí thừa khi vận hành của các lò hơi vận hành ở các điều kiện khác nhau theo cả hai phương pháp. Thông thường, giá trị lượng oxy thừa cao ứng với tải của đầu đốt thấp và giá trị oxy thấp tương ứng với trường hợp tải đầu đốt cao. Lượng không khí thừa được đưa trong bảng chỉ có tính chất tham khảo. Hàm lượng oxy chứa trong khói cần được đo và hệ số không khí thừa sẽ được tính toán từ thành phần nhiên liệu và hàm lượng oxy trong khói.

Nồng độ oxy thông thường
Nhiên liệu	Điều khiển tự động		Điều khiển vị trí		Điều khiển tự động		Điều khiển vị trí
	Nồng độ Oxy trong khói		Nồng độ Oxy trong khói		Hệ số không khí thừa		Hệ số không khí thừa
	Min.	Max.	Min.	Max.	Min.	Max.	Min.	Max.
	[%]	[%]	[%]	[%]	[%]	[%]	[%]	[%]
Khí thiên nhiên	1.5	3.0	3.0	7.0	9	18	18	55
Dầu loại 2	2.0	3.0	3.0	7.0	11	18	18	55
Dầu loại 6	2.5	3.5	3.5	8.0	14	21	21	65
Bột than	2.5	4.0	4.0	7.0	14	25	25	50
Stoker Coal	3.5	5.0	5.0	8.0	20	32	32	65

Bảng 1: Thông số lượng không khí thừa

(Nguồn: Chương trình đào tạo người vận hành về điểm vận hành tốt nhất của hệ thống hơi – Bộ Năng lượng Hoa Kỳ)

Để ước tính tiềm năng tiết kiệm của việc giảm thiểu hệ số không khí thừa, cần phải tiến hành đánh giá tổng chi phí vận hành của nồi hơi và hiệu suất hiện thời cũng như hiệu suất khi thực hiện. Biểu thức sau cho phép tính toán lượng chi phí tiết kiệm của các cơ hội tiết kiệm năng lượng.

Trong đó σ là chi phí nhiên liệu tiết kiệm được, Kboiler là tổng chi phí vận hành lò hơi hiện tại, ηcurrent và ηnew tương ứng là hiệu suất hiện tại của lò hơi và hiệu suất sau khi chuyển đổi.

Ví dụ:

Lò hơi đốt khí gas tự nhiên 20 tấn/h có bộ điều khiển vị trí vừa được điều chỉnh định kỳ. Xác định lượng chi phí tiết kiệm được hàng năm để lắp đặt bộ điều chỉnh tự động cắt lượng oxy cho việc quản lý hệ số không khí thừa của lò hơi. Bỏ qua tổn thất qua vỏ lò và tổn thất xả lò trong tính toán hiệu suất lò hơi.

• Nhiệt trị cao của khí gas tự nhiên là 54,220 kJ/kg (40,144 kJ/m³)
• Lượng nhiên liệu sử dụng = 1,693 m³/h (28 m³/phút)
• Giá nhiên liệu = $1.0/m3
• Nhiệt độ khói: 200°C
• Nồng độ oxy trong khói: 5%
• Bỏ qua thành phần các khí cháy trong khói
• Nhiệt độ môi trường: 20°C

Chi phí vận hành của lò hơi đã được tính toán trong các ví dụ phía trên như sau:

Tổn thất theo khói hiện tại được tính theo Bộ công cụ tính toán tổn thất theo khói SSAT (của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ) là 18.3% đối với khói có 5% oxy ở nhiệt độ 2000C, với nhiệt độ môi trường 200C. Do đó, hiệu suất hiện tại của lò hơi ηhiện tại là 81.7%.

Từ bảng 1, có thể quan sát thấy rằng các bộ điều chỉnh tự động cắt oxy thương mại hiện có có thể điều chỉnh nồng độ oxy trong khói nằm khoảng 3%. Giả thiết rằng nhiệt độ khói không đổi, tổn thất theo khói sau khi chuyển đổi là 17.4%. Do đó, hiệu suất của lò hơi sau này ηmới sẽ là 82.6%.

Chi phí năng lượng tiết kiệm được từ việc giảm thiểu hệ số không khí thừa bằng cách sử dụng bộ điều khiển cắt lượng oxy tự động được tính toán như sau:

2. Lắp đặt thiết bị thu hồi nhiệt

Có 3 dạng thiết bị thu hồi nhiệt chính thường thấy trong công nghiệp gồm:

• Bộ hâm nước cấp
• Bộ sấy không khí
• Bộ hâm bằng ngưng hơi

Các loại thiết bị thu hồi nhiệt được tìm thấy trong các hệ thống hơi công nghiệp sẽ phụ thuộc rất nhiều vào nhiên liệu đang được sử dụng và thiết kế lò hơi tương ứng. Hầu như tất cả các lò hơi công nghiệp có (hoặc phải có) bộ hâm nước cấp. Hầu hết, các lò hơi dùng nhiên liệu rắn và các nhiên liệu có hàm lượng độ ẩm cao đều có bộ sấy không khí. Một số lượng đáng kể của các lò hơi công nghiệp và lò hơi nhà máy nhiệt điện có bộ hâm nước cấp và bộ sấy không khí. Lò hơi đốt nhiên liệu sạch (khí gas tự nhiên, khí mê-tan, dầu diesel, …) có thể được sử dụng Bộ hâm bằng ngưng hơi tùy theo vào yêu cầu tổng thể của hệ thống nhiệt.

2.1 Bộ hâm nước cấp

Bộ hâm nước cấp là một thiết bị trao đổi nhiệt được lắp đặt nhằm trao đổi nhiệt năng giữa khói và nước cấp vào lò hơi. Nó là một dạng thiết bị thu hồi năng lượng được lắp rất phổ biến trong các hệ thống hơi. Trong trường hợp lò hơi không có bộ hâm nước lắp đặt sẵn theo thiết kế, việc lắp đặt thêm một bộ hâm nước trên đường ống khói là hết sức đơn giản. Các công nghệ về vật liệu và thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt hiện nay cho phép tạo ra độ tăng nhiệt độ lớn và trở lực nhỏ với bề mặt trao đổi nhiệt gọn nhẹ. Bên cạnh đó, bộ hâm nước cấp rất nhỏ gọn và thường không gây ra một sự thay đổi về cấu trúc hay kích thước nào của hệ thống.

2.2 Bộ sấy không khí

Bộ sấy không khí cấp nhiệt cho không khí trước khi thổi vào lò hơi bằng cách lấy nhiệt từ khói lò. Thiết bị trao đổi nhiệt này giống như bộ hâm nước cấp nhưng thay vì nhiệt được truyền cho nước cấp sẽ được sử dụng để làm nóng không khí. Kết quả là sẽ làm giảm lượng nhiên liệu tiêu hao và qua đó làm tăng hiệu suất lò.

Do quá trình trao đổi nhiệt xảy ra giữa khí – khí, bộ sấy không khí có kích thước lớn và thường gây ra tổn thất áp suất lớn. Hầu hết các lò hơi công nghiệp sử dụng bộ sấy không khí đều có một quạt hút khói cưỡng bức để thắng được trở lực này và tránh hiện tượng áp suất dương ở buồng lửa.

Bên cạnh đó, cần đảm bảo tránh được hiện tượng đọng sương axit trên đường ống khói do nhiệt độ giảm quá thấp. Giới hạn nhiệt độ thấp nhất phụ thuộc vào hàm lượng lưu huỳnh có trong nhiên liệu. Hiện tượng đọng sương trong khói lò sẽ tạo ra axit sunfuric có tính ăn mòn rất cao dẫn tới các chi tiết kim loại bị mòn và giảm độ tin cậy của lò hơi. Ngoài axit sufuric, nếu nhiệt độ giảm thấp hơn nữa sẽ dần tới sự hình thành axit cacbonic. Đây không phải là vấn đề cần quan tâm xét trong một khoảng thời gian ngắn vì axit này là axit yếu nhưng trong một khoảng thời gian dài nó sẽ gây ra tình trạng hỏng hóc của các thiết bị kim loại trên đường ống khói nếu các thiết bị này không được bố trí hợp lý.

2.3 Bộ hâm bằng ngưng hơi

Hơi nước là một sản phẩm của quá trình cháy và nó thường tồn tại trong khói dạng pha hơi và được thải ra ngoài. Tuy nhiên, lượng hơi nước này chứa một lượng năng lượng đáng kể có thể thu hồi khi hơi nước có thể ngưng tụ lại. Các thiết bị thương mại dạng này được thiết kế đặc biệt cho những lò hơi đốt nhiên liệu cháy sạch (khí gas tự nhiên, khí metan, khí propan, dầu loại 2, …) để thu hồi nhiệt ẩn của hơi nước từ khói lò. Thiết bị thường được biết tới như là bộ hâm bằng ngưng hơi.

Tùy theo nhiên liệu, bộ thu hồi nhiệt này có thể nâng hiệu suất lò hơi tới hơn 10%. Để tăng cường lượng ngưng tụ trong dòng khói, nhiệt độ khói sẽ được hạ xuống dưới nhiệt độ đọng sương. Thường thì nhiệt độ này khoảng 600C đối với khí gas tự nhiên và nhiệt độ khói càng giảm thì lượng nhiệt thu hồi càng cao.

Chú ý rằng, nguồn nhiệt thu được sẽ nằm dưới nhiệt độ đọng sương của khói thải, do đó trong nhà máy cần có 1 nhu cầu nhiệt ở nhiệt độ thấp để sử dụng lượng nhiệt này. Bộ thu hồi nhiệt này có thể thu hồi một lượng lớn nhiệt năng nhưng nhiệt độ của nó là rất thấp. Các ứng dụng trong công nghiệp yêu cầu cấp nhiệt ở nhiệt độ thấp như nhà máy chế biến thực phẩm, lò hơi với nước cấp hoàn toàn là nước mới, nhà máy dệt may hay trạm cấp nước nóng thường là địa chỉ ứng dụng tốt cho loại thiết bị này.

Đánh giá hiệu quả của bộ hâm bằng hơi ngưng này thường yêu cầu một mô hình áp suất khói đặc thù mà giáo trình này không có điều kiện trích dẫn. Tuy nhiên, nhà sản xuất và các giáo trình khác có thể cung cấp các đặc tính của bộ thu hồi nhiệt mà người dùng có thể sử dụng để ứng dụng cho các lò hơi đốt nhiên liệu cháy sạch.

Ví dụ:

Lò hơi đốt khí gas tự nhiên công suất 20 tấn/giờ có một bộ hâm nước cấp nhưng nó đã được tháo ra để bão dưỡng và bị loại bỏ từ vài năm trước. Hiện nay lò hơi vận hành mà không có bộ hâm nước. Xác định cơ hội tiết kiệm chi phí hàng năm nếu lắp lại bộ hâm nước cấp cho lò hơi. Bỏ qua lượng tổn thất qua vỏ lò và tổn thất do xả lò khi tính hiệu suất lò hơi.

• Nhiệt trị cao của khí gas tự nhiên là 54,220 kJ/kg (40,144 kJ/m³)
• Lượng nhiên liệu sử dụng = 1,693 m³/h (28 m³/phút)
• Giá nhiên liệu = $1.0/m3
• Nhiệt độ khói: 200°C
• Nồng độ oxy trong khói: 5%
• Bỏ qua thành phần các khí cháy trong khói
• Nhiệt độ môi trường: 20°C

Chi phí vận hành của lò hơi đã được tính toán trong các ví dụ phía trên như sau:

Tổn thất theo khói hiện nay được tính theo Bộ công cụ tính toán tổn thất theo khói SSAT của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ là 18.3% đối với khói có 5% oxy ở nhiệt độ 2000C, với nhiệt độ môi trường 200C. Do đó, hiệu suất hiện tại của lò hơi ηhiện tại là 81.7%.

Dựa trên điều kiện hoạt động trước đó (theo thiết kế), được ghi lại khi bộ hâm nước vẫn còn hoạt động, nhiệt độ khói khoảng 160°C. Sử dụng bộ công cụ Tính tổn thất do khói, trên hình 3,  tổn thất khói thải là 16.3%. Do đó, hiệu suất lò hơi sau cải tạo là ηmới= 83.7%.

Hình 3: Ví dụ về bộ công cụ Tính tổn thất do khói (trường hợp có bộ hâm)

Lượng chi phí nhiên liệu tiết kiệm được khi lắp đặt bộ hâm nước cấp được tính như sau:

3. Làm sạch bề mặt trao đổi nhiệt

Bề mặt trao đổi nhiệt bị bám bẩn theo thời gian. Bụi bẩn trên bề mặt trao đổi nhiệt dẫn tới nhiệt trở truyền nhiệt sẽ tăng lên và nhiệt độ khói thải cao. Như đã trình bày ở các phần trên, điều này sẽ làm giảm hiệu suất của lò hơi khá nhiều do một lượng lớn năng lượng sẽ thoát ra ngoài cùng với khói thải. Do vậy, bề mặt trao đổi nhiệt cần có các quá trình bảo dưỡng có tính phòng chống và dự báo để cố gắng làm sạch định kỳ bề mặt trao đổi nhiệt trong lò hơi.

Bám bẩn bề mặt trao đổi nhiệt phía ngọn lửa phụ thuộc vào nhiên liệu, đối với khí đốt và các nhiên liệu cháy sạch nó có thể được bỏ qua hoặc không tồn tại. Đối với dầu nặng và nhiên liệu rắn được sử dụng trong lò hơi, có một lượng đáng kể tro và muội than được hình thành trên ống của lò hơi. Chúng cần phải được loại bỏ với một hệ thống thổi sạch muội hiệu quả.  Hệ thống thổi sạch muội này bao gồm những mũi phun phun hơi có áp suất cao hoặc khí nén để tách phần muội bám trên ống. Các lò hơi công nghiệp với hệ thống thổi sạch muội này sẽ được thiết lập chế độ thổi định kỳ cho các phần khác nhau của lò hơi. Điều này hết sức quan trọng để đảm bảo hệ thống làm việc ổn định. Bám bẩn phía ngọn lửa sẽ trực tiếp làm tăng nhiệt độ khói thải và xu hướng này sẽ cung cấp các thông tin có giá trị cho việc vận hành hiệu quả hệ thống thổi sạch muội.

Bám bẩn phía nước chịu sự ảnh hưởng của chất lượng nước và là một hàm phụ thuộc vào áp suất lò hơi, chất lượng nước cấp và tỷ lệ xả lò. Các cặn bẩn này bám vào bề mặt ống và gây ra sự tăng nhiệt trở truyền nhiệt. Lớp bám này cần được loại bỏ bằng cơ khí hay hóa chất khi lò dừng hoạt động. Nó làm tăng nhiệt độ của vách ống và gây ra một số dạng hư hỏng của ống lò. Do đó, bám bẩn phía nước có ảnh hưởng trực tiếp tới độ tin cậy cũng như hiệu suất tổng thể của lò. Do vậy, việc làm sạch ống định kỳ và kiểm tra bám bẩn hàng năm là hết sức quan trọng.

Việc tính toán lượng năng lượng tiết kiệm dùng bộ Công cụ tính tổn thất khói lò có thể minh chứng cho hiệu quả của việc làm sạch bề mặt trao đổi nhiệt.

4. Cải thiện chất lượng nước cấp

Thông thường, chất lượng nước cấp cho lò hơi bị ảnh hưởng lớn nhất bởi nước cấp mới. Nước ngưng chính là loại nước sạch nhất trong hệ thống hơi. Nước cấp mới cần phải được xử lý trước khi cấp vào hệ thống. Hệ thống xử lý nước được nâng cấp sẽ cải thiện chất lượng nước cấp vào lò.

Nước cấp mới cho lò hơi cần phải được xử lý thích hợp dựa theo các yêu cầu về nồng độ các hóa chất trong nước để lò hơi hoạt động tin cậy. Việc quản lý xả lò phụ thuộc vào 2 yếu tố: chất lượng nước cấp và áp suất hoạt động. Việc đảm bảo chất lượng cao nhất cho nước cấp mới sẽ dẫn tới sự giảm tỷ lệ lượng xả lò yêu cầu. Sự giảm lượng xả lò này sẽ dẫn tới sự giảm của lượng năng lượng thất thoát do xả lò. Tuy nhiên, cần có một chi phí khá lớn để nâng cao chất lượng nước nếu nó đòi hỏi cải thiện cơ sở hạ tầng hay bổ sung các hệ thống như hệ thống khử khoáng chất hay hệ thống lọc thẩm thấu ngược. Trong hầu hết các hệ thống lò hơi công nghiệp, sẽ cần có một kỹ sư hóa chất (hoặc nhà thầu), người sẽ chịu trách nhiệm về duy trì nồng độ hóa chất trong nước lò hơi. Tốt nhất, chúng ta nên làm việc với họ để đảm bảo như thế nào là chất lượng nước tối ưu cần thiết. Thông thường, việc cải thiện chất lượng nước vào gồm việc thay các bộ khử khoáng bằng natri hay đảm bảo quá trình lọc thẩm thấu ngược.

5. Lắp đặt bộ điều khiển xả lò tự động

Có hai dạng xả lò thường dùng trong lò hơi công nghiệp: xả mặt và xả đáy. Xả mặt là quá trình xả liên tục. Xả đáy là quá trình xả không liên tục và chỉ được thực hiện từng lần một để loại bỏ các cặn bẩn nặng. Cơ hội tối ưu hóa này chỉ có thể được sử dụng cho quá trình xả mặt còn quá trình xả đáy sẽ được điều khiển bằng tay. Tải của lò hơi thay đổi theo thời gian và một cách lý tưởng, tỷ lệ xả lò cần được thay đổi để duy trì nồng độ hóa chất hợp lý trong nước lò hơi. Hầu hết các bộ điều khiển (độ dẫn hay TDS) cho nước lò hơi đều được cài đặt bởi kỹ sư hóa chất và người vận hành lò hơi sẽ lấy mẫu nước định kỳ để đảm bảo rằng tham số của bộ điều khiển nằm trong dải cài đặt.

Trong hầu hết các trường hợp, điều khiển xả lò bằng tay sẽ dẫn tới xả lò quá nhiều và gây ra một sự tổn thất năng lượng rất lớn. Nhưng đôi khi việc xả lò bằng tay không đủ sẽ dẫn tới chất lượng nước lò hơi rất kém gây ra sự mất an toàn cho hoạt động của lò. Lắp đặt bộ điều khiển xả lò tự động cho phép giảm thiểu và chính xác hóa lượng xả lò được yêu cầu bởi điều kiện vận hành an toàn của lò, do đó sẽ làm giảm tổn thất năng lượng không cần thiết. Bộ điều khiển xả lò này kiểm soát độ dẫn điện của nước liên tục và điều khiển góc mở van hay van bật/tắt để duy trì lượng xả yêu cầu. Thiết bị này được vẽ trong hình 4.

Hình 4: Điều khiển xả lò tự động

(Nguồn: Chương trình đào tạo người vận hành về điểm vận hành tốt nhất của hệ thống hơi – Bộ Năng lượng Hoa Kỳ)

Lượng chi phí và năng lượng tiết kiệm của giải pháp lắp bộ điều khiển xả lò hay nâng cao chất lượng xử lý nước được tính như sau:

Trong đó mxả lò hiện tại_và mxả lò mới được tính từ công suất sinh hơi và tỷ lệ xả lò. T là số giờ hoạt động để tính lượng tiết kiệm trong một khoảng thời gian. Với các phân tích chi tiết, một mô hình dạng SSAT của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ sẽ cần phải được sử dụng.

6. Thu hồi Năng lượng từ Xả lò

Thu hồi nhiệt năng từ xả lò có 2 cách và tất cả lượng nhiệt mất trong nước xả lò có thể thu hồi bằng việc kết hợp 2 phương pháp sau:

• Tách hơi từ nước xả lò
• Gia nhiệt cho nước cấp mới

Dòng nước xả lò áp suất cao trước hết được tách hơi trong một bình chứa áp (bình tách hơi) hoạt động ở áp suất thấp (thường cao hơn áp suất bộ khử khí một chút). Một phần lỏng sẽ bay hơi nhanh thành hơi ở áp suất thấp hơn. Phần hơi tách ra này sạch và có thể đưa vào ống góp hơi áp suất thấp hoặc cấp hơi cho bộ khử khí hoặc hệ thống gia nhiệt nước cấp. Chất lỏng duy trì trong bình thu nhanh ở trạng thái bão hòa (> 100oC) và có thể vẫn được sử dụng để gia nhiệt cho nước cấp trong bộ trao đổi nhiệt nước cấp. Nước xả lò được thải ra từ hệ thống sẽ ở nhiệt độ rất gần với nhiệt độ nước cấp (hay môi trường). Hình 5 là sơ đồ hệ thống thu hồi năng lượng từ nước xả lò.

Hình 5: Thu hồi năng lượng từ nước xả lò

(Nguồn: Chương trình đào tạo người vận hành về điểm vận hành tốt nhất của hệ thống hơi – Bộ Năng lượng Hoa Kỳ)

Lượng tiết kiệm chi phí và năng lượng có thể bằng bình tách hơi và gia nhiệt nước cấp mới được tính trên toàn bộ hệ thống trong mục “Tổn thất xả lò”. Mặc dù tính toán bằng tay được đưa ra trong phần này, một mô hình hệ thống hơi chi tiết, như SSMT của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, là cần thiết để tính toán một cách chính xác hơn lượng năng lượng tiết kiệm.

Nhìn từ quan điểm hệ thống, bình tách hơi rất đơn giản và có thể sản xuất rất rẻ. Hơn nữa, thiết bị trao đổi nhiệt có phải được chọn cẩn thận. Thiết bị trao đổi nhiệt được áp dụng trong phần này phải có khả năng làm sạch được bởi vì dòng xả có thể làm cặn bề mặt trao đổi nhiệt. Có 2 dạng thiết bị trao đổi nhiệt có thể áp dụng tốt với phần này:

• Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống, ống vỏ với nước xả lò ở trong ống
• Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bề mặt

7. Thêm/khôi phục gạch chịu lửa lò hơi

Cách nhiệt và chịu lửa trong lò hơi với mục đích giữ an toàn cho công nhân và cũng để giảm tổn thất qua kết cấu do bức xạ và đối lưu. Bề mặt ngoài do tiếp xúc với môi trường hoặc phá hủy trong quá trình hoạt động nên cần phải ưu tiên sửa chữa. Thêm vào đó, cần tiến hành kiểm tra định kỳ để phát hiện bất kỳ lỗi hư hỏng và phá hủy nào. Tác dụng nhiệt có chu kỳ hoặc phá hủy trực tiếp bởi vật liệu nóng có thể dẫn tới phá hủy kết cấu vật liệu cách nhiệt. Cơ hội này phải xem xét để duy trì sự hoạt động của hệ thống ở điều kiện tốt nhất. Công nhân trong nhà máy nên có camera hồng ngoại và tìm nơi có nhiệt độ cao (> 70oC) và so sánh các hình ảnh theo thời gian để xem có cần sửa chữa không.

8. Tối thiểu hóa số lò hơi hoạt động

Tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che (vỏ) nhỏ (về mặt giá trị) khi so sánh với tổn thất khác trong lò hơi. Nhưng chúng có thể là một con số đáng kể khi nhiều lò hơi cùng hoạt động. Những tổn thất này sẽ có thể trở thành rất lớn nếu một số lò hơi đang ở trạng thái ủ lò. Thông thường, hầu hết các nhà máy công nghiệp sẽ hoạt động ít nhất ở chế độ dự phòng “n + 1” tức là có ít nhất 1 lò hơi dư ở chế độ chạy hay chế độ ủ lò so với nhu cầu. Nó làm tăng độ tin cậy của quá trình vận hành và chắc chắn rằng hoạt động sản xuất không bị ảnh hưởng do sự cố hoặc những điều kiện không mong muốn.

Thực tế, các cơ hội tiết kiệm và tối ưu hóa hệ thống hơi trong nhà máy sẽ không dẫn tới việc ngừng hoạt động 1 lò hơi nhưng cơ hội này phải được tìm ra tại mọi thời điểm có sự thay đổi trong nhu cầu hơi. Các cơ hội này xuất hiện dựa vào chu trình sản xuất, thời vụ, các hoạt động theo tuần/ngày và ngày nghỉ, hoạt động ngày/đêm, những yếu tố có ảnh hưởng rất lớn tới số lượng lò hơi hoạt động trong nhà máy công nghiệp. Thông thường, phần lớn cơ hội này bị bỏ qua do sự phức tạp của việc bật/tắt lò hơi và khoảng thời gian khởi động cần thiết. Đây là vấn đề lớn đối với các lò hơi lớn đốt nhiên liệu rắn nhưng với các lò hơi nhỏ hơn, đặc biệt là đốt khí gas tự nhiên, khí metan, …do quá trình khởi động nhanh hơn rất nhiều nên có thể thực hiện dễ dàng hơn.

Khi phân tích vấn đề này như là vấn đề tối ưu hóa có tính chiến lược, quá trình phân tích rủi ro nên được thực hiện đồng thời để xác định bất kỳ vấn đề lớn nào mà nó có thể ảnh hưởng tới quá trình sản xuất với việc giảm đáng kể sản lượng hơi trong một khoảng thời gian nhất định. Phân tích rủi ro này cần tính thêm chi phí của các sự cố ảnh hưởng tới sản xuất và chiến lược giải quyết rủi ro đó. Bên cạnh đó, chi phí của các thiết bị điều khiển hoặc chỉ thị (cảnh báo, tín hiệu nhiệt độ, tín hiệu áp suất) cần thêm vào cũng nên được xét đến khi thực hiện chiến lược tối ưu hóa này.

9. Thẩm tra việc chuyển đổi nhiên liệu

Chọn nhiên liệu có thể giảm đáng kể chi phí hoạt động do sự khác nhau về giá năng lượng và hiệu suất lò hơi. Hiệu suất nhiên liệu nhìn chung là nhân tố bị ảnh hưởng khi thay đổi nhiên liệu. Đôi khi chi phí năng lượng và chi phí bảo trì có thể được bù lại nhưng để xác thực điều này cần tiến hành phân tích chi tiết hơn dự án tối ưu hóa. Thêm vào đó, vấn đề môi trường có thể trở thành mối quan tâm đáng kể liên quan tới việc chọn nhiên liệu. Mỗi dự án sẽ cần có sự đánh giá độc lập. Việc chuyển đổi nhiên liệu không có nghĩa là thay đổi nhiên liệu hoàn toàn. Các nhà máy trong công nghiệp có thể nhiều lò hơi hoạt động đồng thời và sự chuyển nhiên liệu có thể là:

• Tắt lò hơi đang hoạt động với nhiên liệu nào đó
• Giảm sản lượng hơi đầu ra của lò hơi A đang hoạt động với nhiên liệu số 1 và tương ứng tăng đầu ra của lò hơi B đang hoạt động với nhiên liệu số 2.
• Đốt 2 hoặc nhiều nhiên liệu của lò hơi bất kỳ và thay đổi tỉ lệ nhiên liệu đốt trong lò hơi

Tiết kiệm chi phí từ việc chuyển đổi nhiên liệu được tính như sau:

Trong đó kfuel 1 và boiler _1 tương ứng là chi phí và hiệu suất lò hơi hiện tại trong khi kfuel 2 và boiler _2 là chi phí nhiên liệu và hiệu suất lò hơi mới. Lưu lượng khối lượng của hơi là mstean và T là khoảng thời gian được đánh giá khi thay đổi nhiên liệu.

Ví dụ:

Ước tính lượng chi phí tiết kiệm được hàng năm khi chuyển nhiên liệu của sản lượng hơi 1 tấn/h từ lò hơi đốt khí thiên nhiên (kfuel_1 = $25 trên GJ; ηboiler_1 = 80%) thành dầu nặng (kfuel_2 = $18 per GJ; ηboiler_2 = 84%). Enthalpy của hơi và nước cấp:

hsteam = 3,181 kJ/kg

hfeedwater = 463.5 kJ/kg

Tiết kiệm chi phí có được do chuyển đổi nhiên liệu:

10. Tối ưu hóa Hoạt động Bộ khử khí

Bộ khử khí có vài chức năng chính trong một hệ thống hơi công nghiệp. Chúng gồm:

• Khử hoặc loại bỏ oxy hòa tan trong nước cấp
• Gia nhiệt nước cấp mới
• Có thể được sử dụng như một bình hòa trộn của nước ngưng thu hồi về và nước cấp mới
• Hoạt động như một bình chứa nước cấp và cấp cho bơm cấp nước vào lò

Bình khử khí hoạt động ở một áp suất cố định, áp suất này được quyết định bởi người thiết kế. Nhiệm vụ chính của bình khử khí là khử lượng oxy hòa tan trong nước – đòi hỏi sự chưng tách. Sự chưng tách này thực hiện nhờ hơi nước. Bên cạnh đó, hơi nước sẽ gia nhiệt cho nước cấp làm giảm nồng độ oxy hòa tan nhằm tăng hiệu quả cho quá trình tách. Bình khử khí sử dụng một mũi phun phun trực tiếp hơi vào nước lỏng. Lượng hơi phun vào phụ thuộc vào:

• Áp suất khử khí
• Lượng nước ngưng thu hồi và nước cấp mới
• Nhiệt độ nước ngưng thu hồi
• Nhiệt độ nước cấp mới
• Lưu lượng thoát khí của bình tách hơi

Khi áp suất tách hơi được tăng lên, một lượng hơi lớn hơn sẽ cần được sử dụng và lượng hơi thoát ra ngoài qua đường thoát khí sẽ tăng lên. Tuy nhiên, nếu nước ngưng được thu hồi ở nhiệt độ cao hơn hoặc có những thiết bị thu hồi nhiệt thải được sử dụng để gia nhiệt nước cấp mới, nó có thể mang lại nhiều lợi ích khi khử khí ở áp suất cao. Áp suất vận hành cao cho phép sử dụng bình khử khí kích thước nhỏ hơn ở cùng một công suất hơi. Đã có một số trường hợp trong nhà máy công nghiệp, quá trình khử khí được thay đổi theo thời gian. Nó có thể thay đổi lượng nước ngưng thu hồi, nhiệt độ nước ngưng và nhiệt độ nước cấp mới sau gia nhiệt. Do vậy, sự thay đổi này là hết sức quan trọng để khảo sát hoạt động của bình khử khí và đảm bảo nó hoạt động ở áp suất thấp nhất có thể và quá trình khử khí đạt hiệu quả cao nhất có thể.

Bên cạnh đó, giảm áp suất khử khí sẽ làm giảm nhiệt độ nước cấp đi vào bộ gia nhiệt nước cấp và nó có thể giúp làm giảm nhiệt độ khói thải, yếu tố dẫn tới hiệu suất lò hơi cao hơn. Tuy nhiên, cần đảm bảo rằng sự giảm nhiệt độ nước cấp này không làm giảm nhiệt độ khói xuống dưới nhiệt độ đọng sương axit.

Việc tính toán lượng chi phí và năng lượng tiết kiệm cho cơ hội này sẽ yêu cầu một mô hình rất chi tiết như là mô hình SSMT của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.