NỒI HƠI TÀU THỦY. TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng

TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng Hiệu đính: TS Nguyễn Đại An NỒI HƠI TÀU THỦY NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, nước công chất sử dụng rộng rãi ngành cơng nghiệp dịch vụ Ta nhận thấy có mặt nước nhiều lĩnh vực đời sống xã hội từ ứng dụng công nghiệp nặng sản xuất lượng, gia công chế tạo đến nhu cầu hàng ngày người hâm nóng, sấy sưởi Một số liệu thống kê lượng cho thấy tính tồn giới, 80 – 90% điện sản xuất từ việc sử dụng nước Sở dĩ nước phổ biến có nhiều ưu điểm như: tính kinh tế, sẵn có, khơng độc hại, có khả giãn nở lớn, sinh cơng lớn Nói riêng lĩnh vực kỹ thuật tàu thủy, từ kỷ 17 – 18 nước ứng dụng phổ biến tàu để phục vụ cho hệ động lai chân vịt Ngày nay, hệ động lực Diesel gần trang bị cho toàn đội tàu giới, nước sử dụng cho nhiều mục đích cần thiết tàu như: sinh công máy phụ, phục vụ sinh hoạt thuyền viên, chất công tác thiết bị trao đổi nhiệt Nồi thiết bị sinh hệ động lực nước Với hệ động lực nước bờ, nước cấp cho tua bin để lai máy phát điện Với hệ động lực nước tàu biển, nước cấp cho tua bin để lai chân vịt tàu thủy Hiện nay, tàu sử dụng hệ động lực Diesel, mà động Diesel thiết bị động lực lai chân vịt tàu thủy nồi sử dụng thiết bị phụ phục vụ cho mục đích như: hâm dầu, sấy khơng khí Nói chung, nồi thiết bị lượng quan trọng tàu thủy Một kỹ sư khai thác máy tàu biển để hồn thành tốt NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hồng Anh Dũng cơng việc cần phải hiểu nắm vững nguyên lý hoạt động cách thức khai thác vận hành thiết bị “Nồi tàu thủy” giáo trình biên soạn để phục vụ cho môn học “Nồi – Tua bin hơi” chương trình đào tạo kỹ sư khai thác máy tàu biển Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Đây môn học chuyên ngành giảng dạy vào năm thứ ba Do đó, để giúp sinh viên tiếp cận kiến thức chun mơn tốt, nhóm tác giả gồm TS Lê Văn Điểm KS Hoàng Anh Dũng biên soạn xuất giáo trình Sách trình bày cách lơ-gíc, dễ hiểu với nội dung chia làm chương mục rõ rệt Để học tốt môn học này, sinh viên cần nắm vững kiến thức sở chuyên ngành nhiệt động học kỹ thuật cần rèn luyện kỹ đọc vẽ kỹ thuật Chúng tin sách tài liệu bổ ích đem lại hiệu cho việc học tập sinh viên Tuy nhiên, lần xuất thân tác giả hạn chế kinh nghiệm thực tế nên thiếu sót điều khơng thể tránh khỏi Trong q trình sử dụng, chúng tơi mong nhận xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp độc giả để sách ngày hồn thiện Tác giả NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng MỤC LỤC Chương 1.1 Cơ sở nhiệt động hệ động lực nước Nhắc lại kiến thức nước 1.1.1 Nước nước .8 1.1.2 Đồ thị pha nước .9 1.1.3 Các trình chuyển pha nước 10 1.1.4 Độ khô độ ẩm nước 12 1.2 Chu trình nhiệt động thiết bị động lực nước 12 1.2.1 Chu trình Carnot 12 1.2.2 Chu trình Rankine 14 1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chu trình Rankine 18 1.2.4 Chu trình hồi nhiệt chu trình có q nhiệt trung gian 21 1.3 Chương Sử dụng lượng nước tàu thủy 25 Giới thiệu chung nồi tàu thủy .26 2.1 Định nghĩa .26 2.2 Chức năng, nhiệm vụ nồi tàu thủy .26 2.3 Phân loại nồi tàu thủy .27 2.3.1 Phân loại theo áp suất công tác 27 2.3.2 Phân theo chuyển động khí cháy nước .28 2.3.3 Phân theo nguồn lượng sử dụng 28 2.3.4 Phân theo hình dáng cách bố trí nồi 29 2.3.5 Phân theo nguyên lý tuần hoàn 30 2.4 2.4.1 Các thơng số nồi tàu thủy 31 Áp suất 31 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng 2.4.2 Nhiệt độ 32 2.4.3 Sản lượng 32 2.4.4 Suất tiêu hao nhiên liệu 33 2.4.5 Diện tích mặt hấp nhiệt .33 2.4.6 Dung tích buồng đốt 34 2.4.7 Nhiệt tải dung tích buồng đốt 35 2.4.8 Lượng nước nồi 35 2.4.9 Hiệu suất nồi 36 2.5 Nguyên lý hoạt động nồi hệ thống nồi 37 2.5.1 Nguyên lý hoạt động nồi .37 2.5.2 Quá trình sinh nồi 38 2.5.3 Hệ thống nồi 40 2.6 Chương 3.1 Yêu cầu nồi sử dụng tàu thủy 43 Nhiên liệu trình cháy nồi 46 Nhiên liệu dùng cho nồi tàu thủy .46 3.1.1 Thành phần dầu đốt nồi 46 3.1.2 Các tính chất đặc trưng .47 3.1.3 Yêu cầu nhiên liệu dùng cho nồi tàu thuỷ 49 3.2 Qúa trình cháy buồng đốt nồi 49 3.2.1 Các giai đoạn cháy nhiên liệu .49 3.2.2 Cháy hoàn tồn khơng hồn tồn 50 3.2.3 Hệ số khơng khí thừa α .52 3.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình cháy nồi .54 3.2.5 Hiện tượng ăn mòn điểm sương mục rỉ vanađi 55 3.3 3.3.1 Cân nhiệt nồi 57 Tổn thất nhiệt khói lị q2 57 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng 3.3.2 Tổn thất hóa học q3 59 3.3.3 Tổn thất nhiệt trời q5 .60 Chương Kết cấu nồi tàu thủy 62 4.1 Nồi phụ tàu thủy .62 4.1.1 Nồi hình trụ ống lửa nằm (Scotch boiler) 62 4.1.2 Nồi thẳng đứng ống lửa nằm (Cochran boiler) 67 4.1.3 Nồi thẳng đứng ống lửa đứng .69 4.1.4 Nồi thẳng đứng ống nước đứng 71 4.1.5 Nồi tuần hoàn cưỡng 75 4.2 Nồi khí xả, nồi liên hợp 77 4.2.1 Nồi liên hợp ống lửa nằm (Cochran) 79 4.2.2 Nồi liên hợp ống nước đứng 82 4.2.3 Hệ thống liên hợp nồi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả 84 Chương Các thiết bị, hệ thống phục vụ nồi 88 5.1 Thiết bị buồng đốt 88 5.1.1 Hệ thống cung cấp khơng khí .89 5.1.2 Hệ thống nhiên liệu 90 5.1.3 Thiết bị đánh lửa 101 5.1.4 Tế bào quang điện (mắt thần) 102 5.1.5 Chương trình điều khiển thiết bị buồng đốt .103 5.2 Thiết bị báo, cấp nước nồi .107 5.2.1 Thiết bị báo chỗ .108 5.2.2 Thiết bị báo mức nước từ xa .109 5.2.3 Hệ thống cung cấp nước nồi .111 5.3 5.3.1 Tự động điều khiển điều chỉnh nồi 115 Tự động điều khiển trình cháy 116 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng 5.3.2 Tự động điều khiển hâm nhiên liệu 118 5.3.3 Tự động giám sát cấp nước nồi .120 5.4 Van an toàn 121 5.4.1 Van an toàn kiểu đẩy thẳng .121 5.4.2 Van an toàn hoạt động gián tiếp 125 5.5 Thiết bị gạn xả thổi muội 126 5.5.1 Gạn mặt, xả đáy nồi 126 5.5.2 Thiết bị thổi muội 128 5.6 Chương 6.1 Hệ thống phân phối tuần hoàn 128 Nước nồi xử lý nước nồi 131 Nước cấp nồi 131 6.1.1 Thành phần cáu cặn nước nồi 131 6.1.2 Tiêu chuẩn nước cấp nồi 133 6.2 Ảnh hưởng tạp chất đến hoạt động nồi 136 6.2.1 Cơ chế hình thành cáu cặn 138 6.2.2 Cơ chế ăn mòn bề mặt trao nhiệt .139 6.2.3 Hiện tượng tạp chất hạt nước theo vào .144 6.3 Xử lý nước nồi .146 6.3.1 Xử lý nước nồi 146 6.3.2 Xử lý nước nồi 151 6.4 Hóa nghiệm nước nồi .155 6.4.1 Kỹ thuật lấy mẫu thử chuẩn bị dụng cụ .156 6.4.2 Các hoá nghiệm .156 6.5 Các hố nghiệm nưóc nồi hãng Unitor Chemicals 162 6.5.1 Kỹ thuật lấy mẫu thử chuẩn bị dụng cụ .162 6.5.2 Xác định hàm lượng kiềm phenolthalein (P Alkalinity) .163 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng 6.5.3 Xác định độ pH 164 6.5.4 Xác định hàm lượng ion chloride (Cl-) 164 Chương Khai thác bảo dưỡng nồi 166 7.1 Vận hành nồi 166 7.1.1 Chuẩn bị đốt nồi .166 7.1.2 Đốt nồi .167 7.1.3 Tăng áp suất .169 7.1.4 Khai thác nồi hoạt động .171 7.1.5 Dừng nồi 172 7.2 Một số hư hỏng thường gặp khai thác nồi 172 7.2.1 Cạn nước nồi chưa nghiêm trọng 172 7.2.2 Cạn nước nồi nghiêm trọng 173 7.2.3 Hư hỏng bề mặt trao đổi nhiệt 174 7.2.4 Mức nước nồi cao 175 7.2.5 Nồi bị tắt 175 7.3 Bảo dưỡng nồi tàu thủy 176 7.3.1 Vệ sinh nồi .176 7.3.2 Tẩy rửa cáu cặn nồi 178 7.3.3 Thử thủy lực nồi .179 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng Chương 1.1 Cơ sở nhiệt động hệ động lực nước Nhắc lại kiến thức nước 1.1.1 Nước nước Nước (water) hợp chất hóa học ơxy hiđrơ, có cơng thức hóa học H2O Với tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ tính lưỡng cực, liên kết hiđrơ tính bất thường khối lượng riêng) nước chất quan trọng nhiều ngành khoa học đời sống 70% diện tích Trái Đất nước che phủ 0,3% tổng lượng nước Trái Đất nằm nguồn khai thác dùng làm nước uống Hơi nước (steam) công chất nhận từ nước tượng bay bề mặt nước Hơi nước loại khí thực Ở điều kiện nhiệt độ áp suất bình thường nước gần với trạng thái bão hoà Ở thiết bị nhiệt với diều kiện áp suất cao, nhiệt độ thấp, nước gần với thể lỏng Do nước, bỏ qua lực tương tác phân tử thể tích riêng chúng Hơi nước tn theo phương trình trạng thái khí thực phương trình Van Der Walls (1-1) Trong đó, a b hệ số phụ thuộc vào chất chất khí NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng Lỏng lỏng i nh x= ệt Rắn+ uá iq Hơ Rắ n 1.1.2 Đồ thị pha nước x= Hình 1.1 Các trạng thái nước đồ thị p-v T-s NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hồng Anh Dũng Nước nói chung tồn ba thể: thể rắn (solid), thể lỏng (liquid) thể (vapor) Nước thể lỏng hiểu trạng thái nước chưa sơi (compressed water) cịn nước thể hiểu trạng thái nhiệt (superheated vapor) Đó trạng thái pha cân Tùy theo điều kiện nhiệt độ áp suất, nước cịn trạng thái hai pha (trạng thái cân động) nước bão hịa (nước sơi), bão hịa Những trạng thái khơng bền có xu hướng chuyển sang trang thái cân Nước bão hòa (saturated water): nước đạt đến trạng thái nhiệt độ áp suất bão hịa, lúc q trình hóa bắt đầu diễn Nước tồn hai pha lỏng thành phần lỏng chiếm đa số Hơi bão hòa (saturated steam): trạng thái nhiệt độ áp suất bão hòa Giống trạng thái nước bão hòa, bão hòa gồm hai thành phần lỏng thành phần chiếm đa số Hơi bão hịa trạng thái bão hịa chưa hồn tồn, gọi bão hịa ẩm trạng thái bão hịa hồn tồn, gọi bão hịa khơ  Hơi bão hịa ẩm (liquid-vapor): bão hòa mà chứa hạt lỏng nhỏ li ti chưa kịp bay hết  Hơi bão hòa khơ (saturated vapor): bão hịa mà khơng cịn chứa thành phần lỏng 1.1.3 Các trình chuyển pha nước  Hóa (vaporization): q trình nước chuyển từ pha lỏng sang pha cấp nhiệt Nhiệt lượng gọi nhiệt ẩn hóa  Bay (evaporation): q trình hố tự nhiên xảy bề mặt thoáng nước nhiệt độ Hiện tượng bay phần tử nước gần bề mặt thống có tốc độ lớn, có động chuyển động lớn phần tử 10 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng khác, khắc phục lực tương tác phần tử, thắng lực căng bề mặt chất lỏng để tách bay vào khơng khí Cường độ bay phụ thuộc vào nhiệt độ diện tích mặt thống  Sơi (boiling): cung cấp nhiệt lượng cho nước, nhiệt độ nước tăng cao, cường độ bay tăng Đến nhiệt độ tượng hố xảy lịng chất lỏng tạo lên bọt nước Các bong bóng lên, lớn dần tạo thành tồn thể tích nước Ta gọi sơi Q trình sơi diễn áp suất nhiệt độ không đổi Nhiệt độ ứng với trạng thái sôi gọi nhiệt độ sôi ts (boiling point)  Ngưng tụ (condensation): trình ngược lại với trình hố gọi q trình ngưng tụ, nước biến thành nước nhả nhiệt Quá trình ngưng tụ diễn áp suất nhiệt độ khơng thay đổi  Nóng chảy (melting): q trình nước chuyển từ pha rắn (nước đá) sang pha lỏng cấp nhiệt lượng  Đông đặc (solidification): q trình ngược lại với q trình nóng chảy, tức nước từ pha lỏng chuyển sang pha rắn nhả nhiệt  Thăng hoa (sublimation): trình nước chuyển trực tiếp từ pha rắn sang pha Quá trình diễn áp suất nhiệt độ cao nhiệt lượng cấp vô lớn  Ngưng kết (crystallization): trình ngược lại với trình thăng hoa, tức nước từ pha chuyển trực tiếp sang pha rắn nhả nhiệt 11 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hồng Anh Dũng 1.1.4 Độ khơ độ ẩm nước Ngồi thơng số cơng chất như: nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng, enthalpy, entropy nước cịn có thơng số độ khô độ ẩm  Độ khô (dryness): tỷ số khối lượng phần bão hòa khơ bão hịa ẩm khối lượng bão hịa ẩm Ký hiệu x (1-2) Trong đó: Gh khối lượng khô ẩm; Gn khối lượng nước ẩm Nước sơi có x = 0; ẩm có < x < khơ có x =  Độ ẩm (humidity): tỷ số khối lượng phần nước bão hòa ẩm khối lượng bão hịa ẩm Ký hiệu y (1-3) 1.2 Chu trình nhiệt động thiết bị động lực nước 1.2.1 Chu trình Carnot Chu trình Carnot thiết bị động lực nước chu trình lý tưởng gồm có hai trình đẳng nhiệt hai trình đoạn nhiệt xen kẽ Đồ thị nhiệt động chu trình thể Hình 1.2 Các trình nhiệt động chu trình gồm có: Q trình 1-2: Dãn nở đoạn nhiệt, từ nồi sinh cấp vào tua bin giãn nở sinh công tua bin 12 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hồng Anh Dũng Q trình 2-3: Ngưng tụ đẳng áp, nước sau giãn nở sinh công tua bin bầu ngưng để ngưng tụ thành nước, nhiệt lượng q2 thải trao cho công chất làm mát Quá trình 3-4: Nén đoạn nhiệt, nước ngưng tụ bơm nén đoạn nhiệt để cấp trở lại nồi Q trình 4-1: Hóa đẳng áp, nước đun sơi, nhận nhiệt lượng q1 từ q trình cháy nồi để hóa thành tiếp tục chu trình sinh cơng p K 4' 3' x= x= v T K 4' x= 3' x= s Hình 1.2 Chu trình Carnot thiết bị động lực nước 13 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng Trên đồ thị, thực chất trạng thái nước điểm trạng thái bão hịa ẩm, hay nói cách khác, phần chưa ngưng tụ thành nước Chu trình 123’4’ chu trình ứng với trường hợp ngưng tụ hoàn toàn (toàn ngưng tụ thành nước) Nhiệt lượng cấp, nhiệt lượng thải hiệu suất nhiệt chu trình xác định sau:  Nhiệt cấp: nhiệt ẩn hóa (kJ/kg)  Nhiệt thải: nhiệt ẩn ngưng tụ (kJ/kg)  Cơng có ích: (1-4)  Hiệu suất nhiệt: (1-5) Hiệu suất nhiệt chu trình Carnot lớn tất chu trình thiết bị động lực nước Tuy nhiên, chu trình Carnot chu trình lý thuyết lý tưởng, không dùng thực tế Sau đây, nghiên cứu chu trình Rankine – chu trình đơn giản thiết bị động lực nước áp dụng rộng rãi thực tế 1.2.2 Chu trình Rankine Sơ đồ nguyên lý đồ thị nhiệt động chu trình Rankine thể Hình 1.3 14 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hồng Anh Dũng Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý đồ thị nhiệt động chu trình Rankine Các trình nhiệt động chu trình gồm có: Q trình 1-2: Dãn nở đoạn nhiệt (adiabatic expansion), nhiệt cấp vào tua bin giãn nở sinh công tua bin Quá trình 2-3: Ngưng tụ đẳng áp (constant pressure condensation), nước sau giãn nở sinh công tua bin bầu ngưng để ngưng tụ thành nước, nhiệt lượng q2 thải trao cho công chất làm mát 15 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hồng Anh Dũng Q trình 3-4: Nén đoạn nhiệt (adiabatic compression), nước ngưng tụ bơm nén đoạn nhiệt để cấp trở lại nồi Quá trình 4-5: Cấp nhiệt đẳng áp (constant pressure heating), nước đun nóng đến nhiệt độ sơi nồi nguồn nhiệt từ phản ứng cháy nhiên liệu diễn nồi Quá trình 5-6: Hóa đẳng áp (constant pressure evaporation), q trình cấp nhiệt tiếp diễn, nước sôi bay nồi Quá trình 6-1: Quá nhiệt đẳng áp (constant pressure superheating), nước đưa vào nhiệt, hay gọi sấy hơi, nhận thêm nhiệt lượng để biến thành nhiệt Các thông số chu trình xác định sau:  Nhiệt cấp: bao gồm nhiệt đun nóng qn, nhiệt hóa r nhiệt nhiệt qh  Nhiệt thải:  Cơng có ích: (1-6) Ở đây, cơng có ích hiệu số cơng sinh từ tua bin ltb công tiêu tốn cho bơm lb Tuy nhiên, cơng bơm thường nhỏ, bỏ qua  Hiệu suất nhiệt: (1-7) 16 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng h gọi nhiệt giáng lý thuyết đoạn nhiệt  Suất tiêu hao hơi: Là lượng cần thiết để sinh đơn vị cơng (1-8) Chu trình Rankine nói loại chu trình kín Hệ động lực nước cịn làm việc theo chu trình hở Chu trình hở khác với chu trình kín chỗ: sau công tác tua bin xả trực tiếp ngồi khí Như vậy, chu trình hở, bầu ngưng khơng sử dụng (khơng có q trình ngưng tụ đẳng áp) nước cấp cho nồi bơm từ két chứa Hình 1.4 sơ đồ nguyên lý chu trình hở x= Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý đồ thị nhiệt động chu trình hở Hệ động lực nước làm việc với chu trình hở sử dụng ứng dụng nhỏ thơng số thấp So với chu trình hở chu trình kín có nhiều ưu điểm hẳn như: hiệu suất lớn hơn; có khả tận dụng lại nước sau công tác (điều đặc biệt quan trọng tàu chu trình hở sử dụng phải có 17 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng lượng dự trữ nước lớn, làm giảm tải trọng có ích tàu) Do đó, tàu thủy, có hệ động lực nước làm việc theo chu trình kín áp dụng 1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chu trình Rankine a) Áp suất ban đầu (áp suất vào tua bin) Hình 1.5 Ảnh hưởng áp suất ban đầu Tăng áp suất ban đầu p1 mà nhiệt độ đầu T1 áp suất sau p2 khơng đổi có ưu điểm sau:  Nhiệt độ sôi ts nhiệt độ trung bình trình cấp nhiệt tăng làm cho hiệu suất nhiệt chu trình tăng vùng p1 < 90bar; tăng nhanh tăng chậm vùng p1 > 90bar vùng 18 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng nhiệt độ trung bình tăng chậm Áp suất đầu p1 lên đến 300bar  Thể tích riêng giảm Điều có ý nghĩa việc chế tạo thiết bị thiết bị có kích cỡ nhỏ gọn hơn, chi phí giá thành vật tư chế tạo giảm theo Tuy nhiên, áp suất đầu tăng lại dẫn tới nhược điểm là:  Độ khơ cuối q trình giãn nở giảm làm cho độ ẩm tăng lên, có nhiều hạt nước chuyển động lớn tầng cánh cuối tua bin, gây mài mòn, ăn mòn tầng cánh cuối tua bin  Áp suất cao đòi hỏi phải chế tạo phận sinh hơi, sấy vật liệu có độ bền cao, chịu áp lực tốt, đắt tiền b) Nhiệt độ ban đầu (nhiệt độ vào tua bin) Khi nhiệt độ ban đầu T1 tăng, áp suất đầu p1 áp suất cuối p2 khơng đổi hiệu suất nhiệt tăng (do nhiệt độ trung bình trình cấp nhiệt tăng) Nhiệt độ đầu tăng cách tăng nhiệt độ nhiệt, phương pháp ứng dụng rộng rãi kỹ thuật Nhiệt độ q nhiệt tăng lên đến 550÷600oC 19