Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Ứng dụng, đánh giá phương pháp làm sạch bằng sóng siêu âm cho lò hơi MB-FRR 330 MW và Bag-house

NGUYỄN PHẠM HỮU LỘC

ỨNG DỤNG, ĐÁNH GIÁ

PHƯƠNG PHÁP LÀM SẠCH BẰNG SÓNG ÂM CHO LÒ HƠI MB-FRR 330 MW VÀ BAG-HOUSE

APPLYING AND EVALUATING ACOUSTIC CLEANING METHOD

FOR BOILER MB-FRR 330 MW AND BAG-HOUSE

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã số: 8520114

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2023

Cán bộ hướng dẫn khoa học: GVC.TS Phạm Công Bằng Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Trương Nguyễn Luân Vũ Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Lê Mỹ Hà Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM ngày 13 tháng 01 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tịch hội đồng: PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến

2 Cán bộ phản biện 1: PGS.TS Trương Nguyễn Luân Vũ 3 Cán bộ phản biện 2: PGS.TS Lê Mỹ Hà

4 Ủy viên: TS Trần Việt Hồng 5 Thư ký: TS Dương Văn Tú

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Phạm Hữu Lộc MSHV: 1970602 Ngày, tháng, năm sinh: 15/12/1996 Nơi sinh: Cần Thơ Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử Mã số : 8520114

I TÊN ĐỀ TÀI: Ứng Dụng, Đánh Giá Phương Pháp Làm Sạch Bằng Sóng Âm

Cho Lò Hơi MB-FRR 330MW Và Bag-House

(Applying and evaluating Acoustic Cleaning Method For Boiler MB-FRR 330MW And Bag-House)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

− Thu thập các hình ảnh, đặc tính của tro xỉ (độ cứng, thành phần hóa học, vị trí, số lượng…) hiện trạng thực tế của các thiết bị làm sạch (hiệu suất, lịch sử hư hỏng…)

− Hiểu nguyên lý, cấu tạo và cơ sở lý thuyết của còi cũng như các đặc tính truyền, phản xạ âm, các phương pháp đo và đánh giá sai số trong quá trình đo

− Thực nghiệm đo mức cường độ âm của một số mẫu còi trong không gian mở và không gian kín

− Mô phỏng mô hình áp suất âm theo miền tần số và phân tích kết quả mô phỏng gồm: phân bố áp suất âm, mức áp suất âm, mặt đẳng trị, biểu đồ tần suất mức áp suất âm theo thể tích ứng với các thông số đầu vào gồm: tần số, vị trí và số lượng để lựa chọn được mô hình tối ưu

− Mô phỏng tương tác giữa âm thanh và kết cấu của mô hình đã lựa chọn để phân tích phân bố và biên độ rung động được tạo ra

− Rút ra kết luận từ các kết quả đã thu được

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Giảng viên chính - Tiến sĩ Phạm Công Bằng

TP.HCM, ngày … tháng 12 năm 2022

GVC.TS Phạm Công Bằng PGS.TS Nguyễn Quốc Chí TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy GVC TS Phạm Công Bằng, thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ cũng như động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này Có những giai đoạn thật sự khó khăn phải thay đổi định hướng thực hiện rất nhiều lần vì nhiều lý do khác nhau, nhờ có sự động viên của thầy mà tôi đã cố gắng và nỗ lực nhiều hơn để có thể hoàn thành tốt nhất có thể luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa và Trường, các cán bộ phòng đào tạo đã hỗ trợ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập

Tôi xin cảm ơn TS Asghar Nijafi vì đã chia sẻ kết quả nghiên cứu và thảo luận cùng tôi các vấn đề liên quan đến phương pháp làm sạch bằng sóng âm để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin cảm ơn các bạn bè và đồng nghiệp đã hỗ trợ tôi trong việc thiết lập bản vẽ và quá trình thực nghiệm

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình và người thân đã luôn ở bên tôi và động viên tôi rất nhiều để tôi hoàn thành quá trình học tập và nghiên cứu này

Nguyễn Phạm Hữu Lộc

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong luận văn này sẽ trình bày các hư hỏng liên quan đến xỉ, tro bám trong hệ thống lò hơi và hệ thống chân không thu hồi tro, phân tích các phương pháp đang được sử dụng tại tổ máy S1 Nhà máy Nhiệt điện Ô Môn I Công ty Nhiệt điện Cần Thơ Sau khi đánh giá các ưu, nhược điểm từ đó đề xuất sử dụng phương pháp làm sạch bằng sóng âm với đặc tính làm sạch không phá hủy có thể ngăn chặn các chất bám tích tụ trên bề mặt của các thiết bị kể cả ở các góc, hốc , hạn chế sụt áp trong hệ thống chân không thu hồi tro Phương pháp này cũng sử dụng nguyên lý làm việc đơn giản cũng như yêu cầu số lượng thiết bị, chi phí bảo dưỡng thấp

Tiếp theo, sẽ trình bày về cơ sở cho quá trình tạo âm, phương pháp lựa chọn còi có biên dạng và tần số phù hợp, cơ bản về mô hình truyền âm và thực nghiệm so sánh giá trị mức cường độ âm tạo được trong không gian mở và không gian kín của một số mẫu còi Luận văn sử dụng phương pháp mô phỏng áp suất âm theo miền tần số và mô phỏng tương tác giữa âm thanh và kết cấu cho cụm ống quá nhiệt cấp 1, cụm ống tái sấy cấp 1 thuộc hệ thống lò hơi và nhà túi lọc thuộc hệ thống chân không thu hồi tro

Dựa trên biểu đồ phân bố âm trong không gian và giá trị được ghi nhận từ kết quả mô phỏng nhận thấy rằng phân bố áp suất âm phụ thuộc lớn vào tần số và không gian bên trong mô hình hơn số lượng lắp đặt các nguồn âm Âm với tần số càng cao càng tạo ra nhiều những miền ngược pha xen kẽ nhau với kích thước càng nhỏ Về rung động, phân bố rung động chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi kết cấu ống, tần số của nguồn âm chỉ ảnh hưởng đến giá trị và vị trí có giá trị cực đại

Cuối cùng, từ các mẫu đã khảo sát tại cụm ống quá nhiệt cấp 1 và cụm ống tái sấy cấp 1 vẫn chưa xác định được phương án tối ưu để áp dụng phương pháp này Riêng nhà túi lọc đã xác định được mẫu với 1 còi đặt ở đỉnh, có tần số tự nhiên 250 Hz, mức áp suất âm tại miệng còi 156,02 dB phù hợp để sử dụng làm thiết bị làm sạch cho nhà túi lọc

ABSTRACT

This thesis presents defects related to soot in the boiler system and ash in the ash handling system and analyzes methods being used at unit S1 of O Mon I Thermal Power Plant, Can Tho Thermal Power Company After evaluating the advantages and disadvantages, then proposes to use the acoustic cleaning method with non-destructive properties that can prevent deposits from accumulating on the surface of equipment even at corners, recesses , limiting pressure drop in the ash handling system This method also uses simple working principles and requires a small number of equipment and low maintenance costs

Next, the thesis presents the basis of the sound generation process, methods to select horn with a suitable profile and frequency, the basis of sound propagation model and experimental to compare values of sound intensity generated in open and closed spaces of some horn models The thesis used Acoustic Pressure, Frequency Domain and Acoustic-Structure Interaction methods for superheater 1 pipes, reheater 1 pipes in the boiler system and bag-house in the ash handling system

Based on the spatial sound distribution charts and values recorded from the simulation results, it is found that the sound pressure distribution depends more on the frequency and space inside the model than number of installed sound sources With higher frequency, the more alternating reverse phase regions with smaller sizes generated Regarding vibration, the vibration distribution is directly affected by the pipe structure while the frequency of the sound source only affects the maximum value and position of the maximum point

Lastly, the simulated sound sources at superheater 1 pipes and reheater 1 pipes did not generate sufficient vibration to clean boiler pipes Meanwhile, it was proven that the horn put on top with a frequency of 250 Hz and sound pressure level at the mouth of 156,02 dB is suitable for cleaning the bag-house

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu do cá nhân tôi thực hiện

Các tài liệu tham khảo trong đề tài được thu thập từ các nguồn tin cậy, đã được kiểm chứng, được công bố rộng rãi và được trích dẫn nguồn gốc rõ ràng ở phần danh mục tài liệu tham khảo Tất cả các số liệu, kết quả được nêu trong đề tài đều được thực hiện trung thực, nghiêm túc và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TP.HCM, ngày tháng năm 2022

HỌC VIÊN

Nguyễn Phạm Hữu Lộc

b) Hệ thống chân không thu hồi tro 6

1.2.2 Hiện trạng chi phí vận hành và sửa chữa 8

a) Chi phí vật tư, vận hành, bảo dưỡng cho thiết bị thổi bụi 8

b) Chi phí khắc phục nghẹt tro cho nhà túi lọc 9

c) Hiệu suất và chi phí đốt dầu năm 2020 9

d) Lợi ích kinh tế khi cải thiện hiệu suất 9

e) Lợi ích kinh tế khi khắc phục được nghẹt tro tại nhà túi lọc 10

1.3 Các phương pháp làm sạch cho hệ thống lò hơi và hệ thống chân không

thu hồi tro 10

1.4 Đặc điểm và khả năng ứng dụng của phương pháp làm sạch bằng sóng âm 12

2.1.1 Lựa chọn mô hình còi 18

2.1.2 Cơ cấu bộ tạo âm 19

2.1.3 Phương trình sóng của còi 22

2.1.4 Kiểm tra độ ổn định 25

2.1.5 Góc bao phủ, hệ số định hướng và chỉ số định hướng của còi 26

2.2 Mô hình truyền âm 27

2.3 Khảo sát một số mẫu còi thực tế 28

2.3.1 Đo mức cường độ âm của còi trong không gian mở 29

2.3.2 Đo mức cường độ âm của còi trong buồng kín 31

2.3.3 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm đo mức cường độ âm của còi trong không gian mở 33

2.4 Tổng kết 33

CHƯƠNG 3: KẾT CẤU CÁC CỤM THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ

3.2.3 Thiết lập mô hình mô phỏng vật lý 49

a) Thiết lập mô hình PAFD 50

b) Thiết lập mô hình ASI 51

3.2.4 Mô phỏng, tổng hợp và xử lý kết quả mô phỏng 52

a) Kết quả mô phỏng mô hình PAFD 52

b) Kết quả mô phỏng mô hình ASI 52

3.3 Tổng kết 53

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG, TỔNG HỢP VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

54

4.1 Mô phỏng mô hình PAFD 54

4.1.1 Mô hình PAFD cụm ống quá nhiệt cấp 1 56

4.1.2 Mô hình PAFD cụm ống tái sấy cấp 1 59

a) Nửa dưới cụm ống tái sấy cấp 1 59

b) Nửa trên cụm ống tái sấy cấp 1 62

4.1.3 Mô hình PAFD của nhà túi lọc 65

4.2 Mô phỏng mô hình ASI 67

4.2.1 Mô hình ASI cụm ống quá nhiệt cấp 1 74

4.2.2 Mô hình ASI cụm ống tái sấy cấp 1 78

4.2.3 Mô hình ASI nhà túi lọc 80

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Chi phí khắc phục nghẹt tro cho nhà túi lọc 9

Bảng 1.2 Hiệu suất thực hiện năm 2020 9

Bảng 1.3 Chi phí thực hiện cho một giờ đốt 9

Bảng 1.4 Đặc điểm của các phương pháp làm sạch cho hệ thống lò hơi và chân không thu hồi tro 11

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật còi thực nghiệm 29

Bảng 3.1 Loại công nghệ lò hơi, thông số hơi và hiệu suất tương ứng 37

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật lò hơi tổ máy S1 Nhà máy Nhiệt điện Ô Môn 1 39

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của cụm ống quá nhiệt cấp 1 39

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật cụm ống tái sấy cấp 1 40

Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của hệ thống chân không thu hồi tro 42

Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật nhà túi lọc 43

Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật còi tham khảo 44

Bảng 3.8 Vị trí lắp đặt còi tại mô hình cụm ống quá nhiệt cấp 1 47

Bảng 3.9 Vị trí lắp đặt còi tại mô hình nửa dưới cụm ống tái sấy cấp 1 47

Bảng 3.10 Vị trí lắp đặt còi tại mô hình nửa trên cụm ống tái sấy cấp 1 47

Bảng 3.11 Vị trí lắp đặt còi tại mô hình nhà túi lọc 47

Bảng 4.1 Vị trí và số lượng còi của các mẫu khảo sát cụm ống quá nhiệt cấp 1, nửa dưới, nửa trên cụm ống tái sấy cấp 1 55

Bảng 4.2 Vị trí và số lượng còi của các mẫu khảo sát nhà túi lọc 55

Bảng 4.3 Dữ liệu mô phỏng mô hình PAFD của các cụm thiết bị 55

Bảng 4.4 Giá trị mô phỏng mô hình PAFD cụm ống quá nhiệt cấp 1 57

Bảng 4.5 Giá trị mô phỏng mô hình PAFD nửa dưới cụm ống tái sấy cấp 1 60

Bảng 4.6 Giá trị mô phỏng mô hình PAFD nửa trên cụm ống tái sấy cấp 1 63

Bảng 4.7 Giá trị mô phỏng mô hình PAFD nhà túi lọc 66 Bảng 4.8 Thông số mô phỏng cho mô hình ASI 68 Bảng 4.9 So sánh mức áp suất âm giữa các mô hình đầy đủ và mô hình thu gọn 69 Bảng 4.10 Biên độ rung động của mẫu 1 mô hình ASI cụm ống quá nhiệt cấp 1 77 Bảng 4.11 Biên độ rung động của mẫu 3 mô hình ASI nửa dưới cụm ống tái sấy cấp 1 80 Bảng 4.12 Biên độ rung động của mẫu 2 mô hình ASI nhà túi lọc 81

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ quá trình hoạt động của phần Nước-Hơi 2

Hình 1.2 Sơ đồ quá trình hoạt động của phần Gió-Khói 3

Hình 1.3 Sơ đồ quá trình hoạt động của hệ thống chân không thu hồi tro 4

Hình 1.4 Ví dụ về đặc điểm hình học đường ống lò hơi 5

Hình 1.5 Xỉ bám trên ống quá nhiệt cấp 1 tổ máy S1 nhà máy Nhiệt điện Ô Môn I 5 Hình 1.6 Đồ thị nhiệt độ khói thải (trái) và lưu lượng nước phun giảm ôn bộ quá nhiệt (phải) 6

Hình 1.7 Đồ thị biểu diễn sự suy giảm hiệu suất của lò hơi qua thời gian 6

Hình 1.8 Mô tả hiện tượng nghẹt tro tại nhà túi lọc 7

Hình 1.9 Nghẹt tro tại tổ máy S1 nhà máy Nhiệt điện Ô Môn I 8

Hình 1.14 Các kiểu biên dạng của còi 15

Hình 1.15 Ví dụ về thông số kỹ thuật của còi 16

Hình 2.1 Mặt cắt còi có biên dạng hàm mũ 19

Hình 2.2 Mặt cắt bộ tạo âm và màng âm 19

Hình 2.3 Phân bố lực trên màng âm 20

Hình 2.4 Bố trí đo mức cường độ âm trong không gian mở 29

Hình 2.5 Đồ thị mức cường độ âm theo thời gian và theo phổ tần số của các còi theo thứ tự trong không gian mở 31

Hình 2.6 Bố trí đo mức cường độ âm trong buồng kín 31

Hình 2.7 Đồ thị mức cường độ âm theo thời gian và theo phổ tần số của các còi theo thứ tự trong buồng kín 32

Hình 3.1 Bản vẽ tổng thể kết cấu đường ống bên trong lò hơi tổ máy S1 38

Hình 3.2 Biểu đồ trình tự và thời gian các bước xử lý trong hệ thống chân không thu hồi tro 41

Hình 3.3 Bản vẽ tổng thể các thiết bị thuộc hệ thống chân không thu hồi tro 42

Hình 3.4 Bản vẽ 3D các kết cấu 45

Hình 3.5 Vị trí các bộ thổi bụi 46

Hình 3.6 Vị trí lắp đặt còi giả định tại nhà túi lọc 46

Hình 3.7 Mô hình hình học cụm ống quá nhiệt cấp 1 48

Hình 3.8 Mô hình hình học cụm ống tái sấy cấp 1 49

Hình 4.8 Biểu đồ mức áp suất âm theo thể tích của mẫu 2 mô hình PAFD nhà túi lọc 67 Hình 4.9 Biểu đồ phân bố áp suất âm của mẫu 1 mô hình ASI cụm ống quá nhiệt cấp 1 70 Hình 4.10 Biểu đồ phân bố áp suất âm của mẫu 3 mô hình ASI nửa dưới cụm ống tái sấy cấp 1 71 Hình 4.11 Biểu đồ phân bố áp suất âm của mẫu 1 mô hình ASI nửa trên cụm ống tái sấy cấp 1 72 Hình 4.12 Biểu đồ phân bố rung động của mẫu 1 mô hình ASI cụm ống quá nhiệt cấp 1 tại tần số 100 Hz 74 Hình 4.13 Biểu đồ phân bố rung động của mẫu 1 mô hình ASI cụm ống quá nhiệt cấp 1 tại tần số 250 Hz 75 Hình 4.14 Biểu đồ phân bố rung động của mẫu 1 mô hình ASI cụm ống quá nhiệt cấp 1 tại tần số 1000 Hz 76 Hình 4.15 Tiêu chí đánh giá SwRI’s cho rung động trong đường ống 78 Hình 4.16 Biểu đồ phân bố rung động của mẫu 3 mô hình ASI nửa dưới cụm ống tái sấy cấp 1 tại tần số 250 Hz 79 Hình 4.17 Biểu đồ phân bố rung động của mẫu 2 mô hình ASI nhà túi lọc 80

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ASI Acoustic Structure Interaction Tương tác giữa âm thanh và kết cấu

BFP Boiler Feed Pump Bơm nước cấp

ESP Electro Static Precipitator Hệ thống lọc bụi tĩnh điện FDF Force Draft Fan Quạt gió lò

GAH Gas-Air Heater Bộ gia nhiệt gió-khói PAFD Pressure Acoustic, Frequency

Domain

Áp suất âm theo miền tần số

SAH Steam Air Heater Bộ sấy gió bằng hơi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Trong quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa, ngành công nghiệp năng lượng luôn là nền móng cho sự phát triển cho tất cả các ngành công nghiệp khác Mạng lưới phát và truyền tải điện phát triển liên tục nhằm đáp ứng nhu cầu phụ tải điện ngày càng gia tăng

Song song với lợi thế của các loại năng lượng tái tạo khi tham gia lưới điện quốc gia là thách thức về quá trình đáp ứng phụ tải trong các giờ cao điểm, khi công suất của các nguồn năng lượng tái tạo giảm Vì vậy, để đảm bảo an ninh năng lượng vai trò của các nhà máy nhiệt điện và thủy điện vẫn cực kỳ quan trọng, đặc biệt là các nhà máy nhiệt điện (than, dầu) có khả năng đáp ứng nhanh với công suất lớn và không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết như thủy điện

Tuy nhiên, nhà máy nhiệt điện lại có nhược điểm là có số lượng thiết bị rất lớn và có những hư hỏng nghiêm trọng xảy ra thường xuyên ảnh hưởng đến quá trình vận hành liên tục của các nhà máy Trong đó, tiêu biểu là bục, nổ ống lò và nghẹt tro trong hệ thống chân không thu hồi tro Cách khắc phục các hư hỏng trên luôn là vấn đề được quan tâm trong tất cả các nhà máy nhiệt điện và cũng là lý do để thực hiện đề tài luận văn này

Chương đầu tiên sẽ giới thiệu sơ lược về hoạt động của hệ thống lò hơi và hệ thống chân không thu hồi tro của tổ máy S1, Nhà máy Nhiệt điện Ô Môn I thuộc Công ty Nhiệt điện Cần Thơ, trình bày cụ thể hiện trạng và nguyên nhân của các hư hỏng đã nêu, đồng thời so sánh giữa các phương pháp có thể áp dụng để khắc phục

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Hệ thống lò hơi

Lò hơi được đề cập trong luận văn là lò hơi sử dụng nhiên liệu dầu F.O, thiết kế theo nguyên lý cận tới hạn, tuần hoàn cưỡng bức có tái sấy với công suất 330 MW và được chia làm 2 phần chính là Nước-Hơi và Gió-Khói với quá trình hoạt động diễn ra như sau:

 Phần Nước-Hơi: Nước loại khoáng từ hệ thống xử lý nước sẽ được bơm nước cấp (Boiler Feed Pump/BFP) cấp đến bộ hâm (Economizer/ECO) để tận dụng lượng nhiệt dư từ khói thải để gia nhiệt nước, sau đó nước sẽ đi qua các ống sinh hơi (Waterwall) để được gia nhiệt thành hơi bão hòa ẩm Bơm tuần hoàn lò hơi (Boiler Circulating Pump/BCP) cưỡng bức dòng hơi bão hòa ẩm tuần hoàn giữa ống sinh hơi và bao hơi (Steam Drum) để tách ẩm Hơi bão hòa khô từ bao hơi tiếp tục đi đến bộ quá nhiệt (Superheater/SH) thông qua ống trần và vách đuôi lò (2ry pass & roof tube) và được gia nhiệt thành hơi quá nhiệt trước khi cấp đến tuabin cao áp Hơi ra khỏi tuabin cao áp sẽ đi qua bộ tái sấy (Reheater/RH) để tiếp tục tận dụng lượng nhiệt từ khói thải gia nhiệt hơi cấp đến tuabin trung áp Các bước của quá trình trên được biểu diễn qua dạng sơ đồ

ở Hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ quá trình hoạt động của phần Nước-Hơi

 Phần Gió-Khói: Không khí được cấp vào lò bởi quạt gió lò (Force Draft Fan/FDF) sẽ được gia nhiệt hai cấp bằng bộ sấy gió bằng hơi (Steam Air Heater/SAH) và bộ gia nhiệt gió-khói (Gas-Air Heater/GAH) Không khí và nhiên liệu sau khi tham gia phản ứng cháy sẽ tạo thành khói thải, khói thải sẽ

được sử dụng để gia nhiệt gió trước khi vào lò tại GAH, sau đó sẽ đi qua hệ thống lọc bụi tĩnh điện (Electro Static Precipitator/ESP), một phần khói thải sau khi qua ESP sẽ tạo thành tro (NH4)2SO4 và được thu hồi để xử lý bởi hệ thống chân không thu hồi tro (Ash Handling System) Phần còn lại tiếp tục đi đến hệ thống khử lưu huỳnh trong khói thải (Flue Gas Desulfurization/FGD) và được nâng áp bởi quạt nâng áp (Boost Up Fan/BUF) trước khi được xả qua ống khói Quá trình trên được biểu diễn qua Hình 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ quá trình hoạt động của phần Gió-Khói 1.1.2 Hệ thống chân không thu hồi tro

Hệ thống chân không thu hồi tro là một trong các hệ thống thiết bị phụ lò hơi, có nhiệm vụ thu hồi tro để xử lý cho cả 2 tổ máy Quá trình hoạt động của hệ thống diễn ra như sau: tro bay của GAH, ECO và tro sau khi được xử lý bởi ESP sẽ rớt xuống các phễu (GAH/ECO/ESP hopper) và được gia nhiệt bởi bộ gia nhiệt tro bằng hơi (Ash Steam Air Heater) để tro không bị ẩm đồng thời được quạt chân không thu hồi tro (Vacuum Blower) tạo áp âm rút đưa đến nhà túi lọc (Bag-house/Bag-filter) thông qua các đường chuyển tro (Ash conveyor line) trước khi về bồn chứa tro (Ashbin) và đưa đi xử lý Quá trình trên được biểu diễn ở dạng sơ đồ theo Hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ quá trình hoạt động của hệ thống chân không thu hồi tro

1.2 Hiện trạng

1.2.1 Hiện trạng các thiết bị a) Hệ thống lò hơi

Đặc điểm của hệ thống lò hơi là các đường ống được bố trí phức tạp và số lượng lớn nhằm tạo ra diện tích trao đổi nhiệt lớn (Hình 1.4), nhưng nhược điểm là cũng tạo thêm diện tích và các góc khuất để xỉ có thể bám bên ngoài đường ống (Hình 1.5) và làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt khiến nhiệt độ khói thải và lưu lượng nước phun giảm ôn tăng cao[1] (Hình 1.6), giảm hiệu suất lò[1] (Hình 1.7), tăng suất hao nhiên

liệu Lớp xỉ bám dày cũng làm giảm đáng kể tốc độ dòng chảy, chênh lệch áp suất trong ống hoặc gây quá nhiệt cục bộ dẫn đến bục, nổ đường ống

Để vệ sinh xỉ bám, hệ thống đã được lắp đặt các bộ thổi bụi nhưng hiệu quả lại rất thấp và tiêu tốn chi phí do sử dụng hơi nước cao áp được trích từ đường hơi phụ

dịch và thường xuyên hư hỏng, cần thay thế vật tư rất nhiều lần với các hư hỏng phổ biến như hư hộp giảm tốc, xì nhớt, hư động cơ, kẹt trong quá trình công tác…

Hình 1.4 Ví dụ về đặc điểm hình học đường ống lò hơi

Hình 1.5 Xỉ bám trên ống quá nhiệt cấp 1 tổ máy S1 nhà máy Nhiệt điện Ô Môn I

Hình 1.6 Đồ thị nhiệt độ khói thải (trái) và lưu lượng nước phun giảm ôn bộ quá nhiệt (phải) [1]

Hình 1.7 Đồ thị biểu diễn sự suy giảm hiệu suất của lò hơi qua thời gian [1]

b) Hệ thống chân không thu hồi tro

Hệ thống chân không thu hồi tro chủ yếu sự dụng nguyên lý chân không để chuyển tro, vì vậy khi suy giảm áp suất chân không do nghẹt túi lọc hoặc giảm hiệu suất lọc sẽ dẫn đến tắc nghẽn đường ống, nghẹt phễu (Hình 1.8) trong đó:

 Khi bị nghẹt tro ở nhà túi lọc (Hình 1.9.a) cần giảm công suất cả 2 tổ máy xuống 66 MW trong trung bình 8 giờ để giảm nhiệt độ đủ điều kiện làm việc thay túi lọc

 Sự suy giảm hiệu suất tại nhà túi lọc cũng dẫn đến tăng sự tích lũy tro trong các phễu ESP và gây nghẹt phễu (Hình 1.9.b), khi nhiều phễu tro nghẹt đồng thời cần giảm công suất của tổ máy có phễu nghẹt xuống 66 MW trong 2-3 giờ để xả tro ra sàn và tiêu tốn rất nhiều nhân công để xả tro cũng như dọn dẹp đưa vào các bao tải để xử lý

Hình 1.8 Mô tả hiện tượng nghẹt tro tại nhà túi lọc[2]

a) ngẹt bên trong nhà túi lọc b) nghẹt phễu tro Hình 1.9 Nghẹt tro tại tổ máy S1 nhà máy Nhiệt điện Ô Môn I 1.2.2 Hiện trạng chi phí vận hành và sửa chữa

a) Chi phí vật tư, vận hành, bảo dưỡng cho thiết bị thổi bụi

Vật tư:

 Số lượng: 24 bộ/tổ máy  Đơn giá: 2.000.038.248 đ/bộ  Thành tiền: P1 = 48.000.917.952 đ Vận hành:

 KTĐK: 3 lần/năm  Đại tu: 4 năm/lần

 Chi phí đại tu 1 lần chưa bao gồm chi phí nhân công (dự toán SCL lò hơi 2022): 𝐸 11.450.188.587 đ

b) Chi phí khắc phục nghẹt tro cho nhà túi lọc

Bảng 1.1 Chi phí khắc phục nghẹt tro cho nhà túi lọc

 Số lượng hư hỏng trung bình: 2 lần/năm  Doanh thu công suất cố định 1h: 60.440.050 đ  Thời gian giảm công suất khi nghẹt tro: 12 giờ  Tổng chi phí khắc phục nghẹt tro:

𝐸 2 30.000.000 12 0,8 60.440.050 2 1.220.448.960 đ

c) Hiệu suất và chi phí đốt dầu năm 2020 Bảng 1.2 Hiệu suất thực hiện năm 2020

Tổ máy

Suất hao nhiệt thô (kJ/kWh)

Hiệu suất (%)

Hiệu suất thiết kế (%)

Tỷ lệ giữa HSTT/HSTK

S1 S1 = 223,676 𝑃 15.360 𝐸 1.133.768.909

d) Lợi ích kinh tế khi cải thiện hiệu suất

 Hiệu suất cải thiện trung bình trên tỉ lệ hiệu suất thực tế và hiệu suất thiết kế: 1%

 Mức làm lợi trên cải thiện suất hao sau 6000 giờ vận hành (1 năm): 𝐵 𝐸 𝐸 6000 72.291.226.800 đ

e) Lợi ích kinh tế khi khắc phục được nghẹt tro tại nhà túi lọc

 Tổng mức làm lợi trên 6000 giờ vận hành: B3 = E4 =1.220.448.960 đ

1.3 Các phương pháp làm sạch cho hệ thống lò hơi và hệ thống chân không thu hồi tro

Hiện nay có rất nhiều phương pháp đã được thực hiện và đang được nghiên cứu áp dụng tùy thuộc vào độ khả thi kỹ thuật và điều kiện tài chính của từng nhà máy nhằm áp dụng để loại bỏ tro xỉ bám Trong đó, tại hệ thống lò hơi của nhà máy Nhiệt điện Ô Môn I hiện đang sử dụng phương pháp thổi bụi bằng hơi cao áp và nhân công vệ sinh, tại hệ thống chân không thu hồi tro đang sử dụng phương pháp sử dụng vòi phun khí nén, xung khí nén và động cơ rung Ngoài các phương pháp đang được sử dụng còn có các phương pháp khác khá phổ biến và có những đặc điểm riêng biệt cho từng hệ thống được thể hiện qua Bảng 1.4

Bảng 1.4 Đặc điểm của các phương pháp làm sạch cho hệ thống lò hơi và chân không thu hồi tro

Phương pháp lượng Số thiết bị

Chi phí thiết bị

Chi phí vận hành

Chế độ vận

hành Độ sạch

Hiệu quả Cho hệ thống lò hơi

Từ Bảng 1.4 và tài liệu: “Experimental and Simulation Study of Modified

Acoustic Horn Design for Cleaning”[3] của tác giả Dipesh D Jadhav, nhận thấy được các phương pháp loại bỏ xỉ bám như: thổi bụi bằng hơi nước cao áp, sử dụng nhân công làm vệ sinh, máy phun bọt biển, phun đá khô, phun nước cao áp, sử dụng thuốc nổ có đặc điểm chung là hiệu quả làm sạch thấp, không làm sạch được toàn bộ các ống do giới hạn khả năng làm việc Ngoài ra, trừ phương pháp thổi bụi bằng hơi cao áp, các phương pháp còn lại khi thực hiện cần dừng tổ máy để vệ sinh và hệ thống chỉ sạch được trong một khoảng thời gian nhất định sau khi vệ sinh, do đó ảnh hưởng đến năng suất của nhà máy

Các phương pháp vệ sinh tro bám sử dụng khí nén như vòi phun, đệm khí, xung khí nén không làm sạch được toàn bộ không gian do giới hạn về vị trí, số lượng (lắp đặt quá nhiều sẽ dẫn đến sụt áp, giảm hiệu sút hút chân không) Sử dụng động cơ rung

ở các phễu tro và bồn chứa tro hiệu quả làm sạch, thông phễu không cao do dao động rung cục bộ không truyền được hết đến các phần tử tro ở đáy phễu

Khác với các phương pháp nêu trên, phương pháp sử dụng còi hơi để làm sạch bằng sóng âm có thể áp dụng được cho cả 2 hệ thống Trong đó, còi có cấu tạo đơn giản gồm 3 phần chính: miệng còi, thân còi và họng còi để tạo ra âm thanh và khuếch

đại Ví dụ về còi và các thiết bị cấp khí nén được thể hiện theo Hình 1.10

Hình 1.10 Ví dụ về còi và các thiết bị cấp khí nén

Nguyên lý làm việc của còi là cấp xung khí nén đến bộ tạo âm làm rung màng âm và tạo ra âm cơ sở Âm cơ sở được khuếch đại nhờ đi qua còi và truyền dao động đến thiết bị và đánh bật các chất bám

1.4 Đặc điểm và khả năng ứng dụng của phương pháp làm sạch bằng sóng âm

Phương pháp có đặc điểm là sóng âm được tạo ra bởi còi hơi sẽ có tần số thấp và mức áp suất âm cao nhằm gia tăng mức năng lượng chứa trong sóng và làm tăng khoảng cách cũng như khả năng truyền dao động hiệu quả Các tần số do còi tạo ra cao hơn tần số cộng hưởng của bề mặt kết cấu sẽ không gây hại cho bề mặt truyền nhiệt hoặc vật liệu chịu lửa

Những đặc điểm về cấu tạo, nguyên lý và hoạt động như trên tạo ra có thể giải quyết các vấn đề còn tồn đọng và đạt được mục tiêu loại bỏ tro xỉ, tối ưu hóa hiệu suất và chi phí của nhà máy nhiệt điện, trong đó bao gồm:

 Lắp đặt được ở nhiều hệ thống được thể hiện như Hình 1.11, Hình 1.12 với hiệu quả làm sạch cao (Hình 1.13), có thể loại bỏ các tro, xỉ bám ở những nơi mà các phương pháp khác không làm sạch được, chẳng hạn như các góc, hốc và những vị trí khuất khác trong lò hơi nhờ đặc tính truyền và phản xạ của âm

 Không tác dụng lực va đập gây mỏi, bào mòn, phá hủy hư hại cho vật liệu, không ăn mòn bề mặt, không tạo độ ẩm do sử dụng sóng âm để truyền dao động  Tập trung vào việc tránh bám tro, xỉ bằng cách vận hành còi trong một khoảng thời gian tại nhiều thời điểm, để loại bỏ các hạt tro xỉ bám trên bề mặt

 Có thể làm sạch khi tổ máy đang vận hành, hạn chế dừng và sự cố tổ máy cũng như cải thiện hiệu suất đốt các nhiên liệu hóa thạch từ 1-4%[4]

 Cải thiện khả năng lưu thông vật liệu và hạn chế sự sụt áp (đối với hệ thống chân không thu hồi tro)

 Tối ưu về mặt chi phí vận hành và sửa chữa do ít thiết bị chỉ bao gồm còi và bộ tạo âm, có thể tận dụng các đường khí nén và hệ thống điều khiển sẵn có

 Tối ưu về số lượng lắp đặt với khoảng cách và bán kính làm sạch lớn  Ứng với mỗi mức áp suất âm và tần số tự nhiên sẽ có hệ số khuếch đại và kích thước họng còi, độ dài thân còi và miệng còi khác nhau (Hình 1.14, Hình

1.15) nhưng có thể tùy chỉnh biên dạng để tối ưu về kích thước, không gian

Hình 1.11 Các vị trí có thể lắp đặt còi

Hình 1.12 Ứng dụng thực tế và bố trí của còi

a) Ống lò

b) Bộ gia nhiệt gió-khói

Hình 1.13 Tình trạng trước và sau khi sử dụng thiết bị làm sạch bằng sóng âm tại nhà máy Kilang Minyak Sawit Tanjung Tualang, Malaysia

Hình 1.14 Các kiểu biên dạng của còi

Hình 1.15 Ví dụ về thông số kỹ thuật của còi

Tuy phương pháp làm sạch bằng sóng âm có thể sử dụng được trong nhiều hệ thống, khắc phục được các nhược điểm của các phương pháp khác và đã được sử dụng tại các nhà máy nhiệt điện tại hơn 25 quốc gia[5] nhưng tại Việt Nam hiện tại vẫn chưa được áp dụng

1.5 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi

1.5.1 Mục tiêu

Mục tiêu của luận văn là xây dựng mô hình mô phỏng áp suất âm và mô hình tương tác giữa âm thanh và kết cấu với nhiều thông số đầu vào khác nhau và phân tích phân bố áp suất âm, mức áp suất âm, biên độ rung động tương ứng với các thông số đầu vào nhằm đánh giá khả năng ứng dụng phương pháp làm sạch bằng sóng âm vào hệ thống lò hơi và chân không thu hồi tro của Nhà máy Nhiệt điện Ô Môn I

1.5.2 Nhiệm vụ

 Thu thập các hình ảnh, đặc tính của tro xỉ (độ cứng, thành phần hóa học, vị trí, số lượng…) hiện trạng thực tế của các thiết bị làm sạch (hiệu suất, lịch sử hư hỏng…)

 Hiểu nguyên lý, cấu tạo và cơ sở lý thuyết của còi cũng như các đặc tính truyền, phản xạ âm, các phương pháp đo và đánh giá sai số trong quá trình đo

 Thực nghiệm đo mức cường độ âm của một số mẫu còi trong không gian mở và không gian kín

 Mô phỏng mô hình áp suất âm theo miền tần số và phân tích kết quả mô phỏng gồm: phân bố áp suất âm, mức áp suất âm, mặt đẳng trị, biểu đồ tần suất mức áp suất âm theo thể tích ứng với các thông số đầu vào gồm: tần số, vị trí và số lượng để lựa chọn được mô hình tối ưu

 Mô phỏng tương tác giữa âm thanh và kết cấu của mô hình đã lựa chọn để phân tích phân bố và biên độ rung động được tạo ra

 Rút ra kết luận từ các kết quả đã thu được

1.5.3 Phạm vi

Cụm ống quá nhiệt cấp 1, cụm ống tái sấy cấp 1 thuộc hệ thống lò hơi kiểu FRR công suất 330MW và nhà túi lọc thuộc hệ thống chân không thu hồi tro được sản xuất bởi Mitsubishi Heavy Industry tại Nhà máy Nhiệt điện Ô Môn I, Công ty Nhiệt điện Cần Thơ

 Chương 5 rút ra kết luận về kết quả đạt được và những hạn chế, những vấn đề tồn đọng trong quá trình thực hiện

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÒI HÀM MŨ VÀ MÔ HÌNH TRUYỀN ÂM

Như đã trình bày ở chương trước, quá trình làm sạch bằng sóng âm sẽ bắt đầu từ âm được tạo từ còi và kết thúc khi âm được truyền đến thiết bị và tạo rung động Do đó, khi lựa chọn giải pháp tối ưu cần giải quyết 2 bài toán là tối ưu thiết kế của còi và tối ưu quá trình tương tác giữa âm và kết cấu Để có thể giải quyết 2 bài toán nêu trên, cần hiểu được những khái niệm cơ bản về mô hình còi, mô hình truyền âm và cần có các công cụ để hỗ trợ cho tính toán

Trong đó, phần mô hình còi sẽ trình bày về đặc tính của quá trình tạo âm và khuếch đại âm của còi, giải thích lý do lựa chọn biên dạng còi hàm mũ sử dụng khí nén và quá trình tính toán thiết kế cũng như kiểm tra sự ổn định của thiết kế được tạo ra Phần tương tác giữa âm và kết cấu sẽ trình bày về đặc tính của âm trong các không gian cũng như quá trình tương tác giữa âm có các tần số khác nhau và bề mặt vật liệu Còn về phần công cụ hỗ trợ, chương này sẽ giới thiệu sơ lược về phần mềm mô phỏng Comsol Multiphysics và tiến hành so sánh một số kết quả của quá trình thực nghiệm và mô phỏng

2.1 Mô hình còi

2.1.1 Lựa chọn mô hình còi

Còi được chia làm 2 phần chính là thân còi và cơ cấu tạo âm, trong đó:

 Về phần thân còi, vấn đề cần được quan tâm là trở kháng âm, với trở kháng âm Z là tỉ số giữa áp suất âm trên vận tốc thể tích Đặc tính của trở kháng âm là khi bất tương thích, sóng âm chỉ truyền được một phần và phần còn lại sẽ phản xạ ngược lại làm giảm hiệu quả truyền âm[6] Mỗi loại còi có biên dạng như: parabol, hyperbol, hình nón, hàm mũ đều có đặc tính về trở kháng khác nhau, nhưng từ phương trình Webster của sóng âm qua còi đã chứng minh biên dạng còi theo hàm mũ là biên dạng có khả năng tạo sự tương thích trở kháng tốt nhất

vì trở kháng tại các mặt cắt của còi ổn định và có áp suất cùng pha với vận tốc của hạt[7]

 Về phần cơ cấu tạo âm, cơ cấu được chia làm 2 dạng là sử dụng điện và sử dụng khí nén Trong đó, cơ cấu sử dụng điện có thể khuếch đại tín hiệu âm và bao phủ được các không gian lớn với công suất điện thấp Nhưng đặc biệt đối với âm thanh có biên độ cao lại thường sử dụng bộ tạo âm sử dụng khí nén vì khả năng tạo ra áp lực lớn[8]

Với hệ thống thiết bị hiện tại có môi trường làm việc nhiệt độ cao và có tính ăn mòn, cùng với nhu cầu sử dụng âm thanh có biên độ dao động cao cho nên còi có biên dạng hàm mũ sử dụng khí nén (Hình 2.1) phù hợp với yêu cầu đặt ra

Hình 2.1 Mặt cắt còi biên dạng hàm mũ[9] 2.1.2 Cơ cấu bộ tạo âm

Bộ tạo âm được cấu tạo bởi khoang tạo âm, màng âm và nguồn cấp khí nén Khí nén được cấp vào khoang tạo âm, va đập với màng âm tạo ra âm thanh và đi qua thân còi để được khuếch đại, quá trình trên được biểu diễn theo Hình 2.2

Hình 2.2 Mặt cắt bộ tạo âm và màng âm[9]

Màng âm được mô hình hóa dạng tấm tròn với điều kiện biên kẹp với 2 áp suất tác dụng là áp suất tương đối trong khoang p1 và áp suất cấp khí nén p2, ngoài ra còn có lực tiếp xúc giữa màng âm và đế đặt Fc Các điều kiện biên nêu trên sẽ được biểu diễn ở Hình 2.3 và phương trình (2.2)

Phương trình Reddy cho dao động cưỡng bức của màng âm có độ dày h được biểu diễn như sau:

𝜕 𝑤𝜕𝑟

𝜕 𝑤𝜕𝑟

𝜕 𝑤𝜕𝑟

𝑞 𝑟, 𝑡𝐷

𝜌 ℎ

𝐷𝜕 𝑤

𝑞 𝑟, 𝑡 𝑝 𝐻 𝑟 𝑏 𝑝 𝐻 𝑏 𝑟 𝐹 𝑟 𝛿 𝑟 𝑏 (2.2)

Hình 2.3 Phân bố lực trên màng âm[9]

Với q là lực phân bố trên màng, 𝜌 là khối lượng riêng của màng, E là suất Young, 𝜐 là hệ số Poission và kích thước D được định nghĩa là:

𝜕 𝑤∗𝜕𝑟∗

𝜕 𝑤∗𝜕𝑟∗

𝑞 𝑟∗, 𝑡∗

𝜕 𝑤𝜕𝑡∗

Trong đó 𝜑 𝑟∗ là hàm độ biến dạng màng âm với điều kiện biên kẹp: 𝜑 𝐽 𝜆 𝑟∗ 𝐼 𝐽 𝜆

Với J0 và I0 là hàm Bessel, thay phương trình (2.6) vào phương trình (2.4) và sử dụng phương pháp Galerkin, phương trình rời rạc điều khiển màng âm đơn được biểu diễn như sau:

𝑌 2𝜁𝜔𝑌 𝜔 𝑌 1

𝑀 𝑟∗𝜑 𝑟∗ 𝑞 𝑟∗, 𝑡∗ 𝑑𝑟∗ (2.7) Trong đó, 𝜔 là tần số dao động tự nhiên của màng âm (𝜔 𝜆 /𝜇), 𝜁là hệ số tắt, 𝑀 là khối lượng hiệu dụng của màng (𝑀 𝜇 𝑟𝜑 𝑑𝑟) Thực hiện tích phân nhận được:

Dạng không thứ nguyên của phương trình (2.9) với 𝜒 là hệ số khớp nối giữa màng và còi là:

𝑢∗ 𝜒𝑏∗𝑤∗ 𝑏∗, 𝑡 (2.13)

𝜒 2𝜋𝜌𝑐𝑎

2.1.3 Phương trình sóng của còi

Phương trình sóng của xung khí nén điều khiển: 𝑆

𝜕𝑢𝜕𝑥;

u và p lần lượt là vận tốc thể tích và áp suất tương đối trong thời gian t và vị trí

x cho trước, 𝜌 và c lần lượt là khối lượng riêng không khí và vận tốc âm thanh trong

áp suất và nhiệt độ khí quyển trong cùng điều kiện Tại đầu vào, áp suất được cấp theo hàm thời gian ui và áp suất ở đầu ra bằng áp suất khí quyển Phương trình (2.15) có thể biến đổi thành phương trình Webster:

𝑝∗ 1𝑆∗

𝜕𝑥∗ 𝑆∗𝜕𝑝

Trong đó: 𝑢∗ 𝑢

𝑐𝑆 ; 𝑝∗𝑝𝜌𝑐 ; 𝑆∗

𝑆𝑆 ; 𝑥∗

𝑥𝐿; 𝑡∗

𝑡𝛾; 𝛾

𝐿𝑐Có thể viết lại phương trình theo điều kiện biên:

Trong đó, ký hiệu 𝑥 là viết tắt của đạo hàm của x Phương trình (2.15) cho mặt cắt ngang có thể không giải chính xác được Do đó, có thể áp dụng phương pháp gần đúng hoặc phương pháp biến trạng thái hoặc phương pháp phần tử hữu hạn Tuy nhiên, đối với các hàm mặt cắt đặc biệt, có thể tìm được phương pháp xác định dao động riêng