TỔNG QUAN
Giới thiệu chung
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 (NH 4 )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 sơđồ theo Hình 1.3
Hình 1.3 Sơ đồ quá trình hoạt động của hệ thống chân không thu hồi tro.
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 từđường 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
Số lượng: 24 bộ/tổ máy
Số lượng chu trình: 3 chu trình/ngày
Tổng lưu lượng: Q1 = 47160 kg/ngày
Chi phí tạo hơi: 𝐸 45.312.324 đ/ngày
Chi phí tạo hơi trên 6000 giờ vận hành: 𝐸 11.328.081.000 đ
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
Hạng mục Số lượng Đơn giá Thành tiền
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
Tỷ lệ giữa HSTT/HSTK
Bảng 1.3 Chi phí thực hiện cho một giờ đốt
Tổ máy Suất tiêu hao nhiên liệu cho công suất 330 MW (g/kWh) Giá dầu FO
S2 222,62 15.360 1.128.416.256 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%
Suất hao nhiên liệu cải thiện: S 2 = 221,299 g/kWh
Chi phí thực hiện trên 1 giờ đốt:
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 Số lượng thiết bị
Chế độ vận hành Độ sạch Hiệu quả
Cho hệ thống lò hơi
Thổi bụi bằng hơi cao áp 5 5 5 O 3 3
Phun bọt biển, đá khô 2 3 3 S 4 2
Cho hệ thống chân không thu hồi tro
Vòi phun 3 2 2 O 2 2 Đệm khí, xung khí nén 4 3 3 O 4 4 Động cơ rung 3 2 2 O 2 2
*Chú thích: Mức độ 1/2/3/4/5 tương ứng với rất thấp/thấp/trung bình/cao/rất cao; Chế độ vận hành: O-Online liên tục, S-Shut-down cần dừng máy
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.
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.
Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi
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
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
Cụm ống quá nhiệt cấp 1, cụm ống tái sấy cấp 1 thuộc hệ thống lò hơi kiểu MB-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.
Tổ chức luận văn
Chương 2 trình bày về cơ sở lý thuyết của còi hàm mũ, mô hình còi và mô hình truyền âm
Chương 3 trình bày thông số kỹ thuật, kết cấu của các đối tượng mô phỏng, mô hình hóa các kết cấu và các bước mô phỏng
Chương 4 mô phỏng, lựa chọn phương án bố trí tối ưu với sự thay đổi của các thông số đầu vào (số lượng, vị trí, tần số…) và phân tích phân bố, biên độ rung động đạt được
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.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÒI HÀM MŨ VÀ MÔ HÌNH TRUYỀN ÂM
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 p 1 và áp suất cấp khí nén p 2 , ngoài ra còn có lực tiếp xúc giữa màng âm và đế đặt F c 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:
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:
Từ phương trình (2.3) có thể viết lại phương trình (2.1) như sau:
Sử dụng phương pháp tách biến (Myith-U và Depnath) cho phương trình (2.4):
Trong đó 𝜑 𝑟 là hàm độ biến dạng màng âm với điều kiện biên kẹp:
Với J 0 và I 0 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:
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:
Bỏ qua thể tích không khí bị dịch chuyển bởi dao động của màng âm, lưu lượng khí cấp vào còi u i được biểu diễn là:
Phương trình Van Wylen của vận tốc không khí với điều kiện có tiết lưu và không tiết lưu được biểu diễn như sau:
Trong đó áp suất tuyệt đối của đầu ra là 𝜎, tỷ số áp suất tới hạn 𝜎 = 0,528 và tỷ số nhiệt dung k = 1,4 Áp suất đầu ra tuyệt đối xấp xỉ bằng áp suất khí quyển lúc bắt đầu phát ra âm thanh Vì thế:
Dạng không thứ nguyên của phương trình (2.9) với 𝜒 là hệ số khớp nối giữa màng và còi là:
2.1.3 Phương trình sóng của còi
Phương trình sóng của xung khí nén điều khiển:
𝜕𝑥 (2.15) 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 u i và áp suất ở đầu ra bằng áp suất khí quyển Phương trình (2.15) có thể biến đổi thành phương trình Webster:
Có 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
Tiết diện còi hàm mũ theo vị trí được tính theo: 𝑆 𝑆 𝑒 với 𝑆 là tiết diện họng còi, 𝑆 là tiết diện thân còi tại vị trí x, 𝛽 là hệ số loe, L là chiều dài còi
Từ đó, phương trình (2.16) có thể viết lại như sau:
Nghiệm của phương trình đạo hàm riêng sử dụng phương pháp tách biến với các điều kiện biên đồng nhất có thểđược viết như sau:
Thay (2.19) vào phương trình (2.18) xác định được phương trình theo bài toán Strum-Liouville:
Phương trình (2.20) phương trình vi phân với nghiệm chuẩn sau:
𝐺 𝐴𝑒 ∗ 𝐵𝑒 ∗ (2.21) thế 𝑎 , 𝛽 𝛽 𝜆 vào điều kiện biên ở phương trình (2.17) ta được nghiệm:
𝐴𝑎 𝐵𝑎 0 (2.22) Để có nghiệm đơn, (2.22) cần thỏa mãn phương trình sau:
Phương trình (2.23) có nghiệm nếu 𝛽 𝜆 0 Và từđó có thể viết lại phương trình (2.21) như sau:
𝐺 𝑒 ∗ 𝐶 𝑐𝑜𝑠 𝜗 𝑥 ∗ 𝐷 𝑠𝑖𝑛 𝜗 𝑥 ∗ (2.24) Với 𝜗 𝜆 𝛽 dựa vào điều kiện biên ở phương trình (2.22) ta tìm được:
𝛽𝐶 𝜗𝐷 0 (2.25) Để phương trình (2.25) đơn nghiệm suy ra:
Từ phương trình (2.26) có thể tìm được phương trình sóng của còi:
Từ phương trình (2.16), (2.17), (2.19) và (2.24) ta có thể tìm được đáp ứng của phương trình (2.16) với điều kiện biên (2.17) và viết lại như sau:
Thay phương trình (2.29) và (2.30) vào phương trình (2.15), từ đó có thể tìm được phương trình biến rời rạc của sóng trong còi có biên dạng hàm mũ như sau:
Kết hợp 2 điều kiện ở phương trình (2.31) lại thành 1 phương trình:
Phương trình hệ cộng hưởng (2.32) có thể viết lại với thêm điều kiện của hiệu ứng tắt:
2.1.4 Kiểm tra độ ổn định
Màng âm kết hợp và còi có thể gặp phải tình trạng mất ổn định động gây ra rung động tự kích thích trong màng, luồng khí đi qua còi sẽ bị thay đổi do rung động tự kích Phân tích tuyến tính có thể được sử dụng để minh họa các điều kiện cần thiết của sự bất ổn định cũng như tần số âm thanh được tạo ra Các phương trình điều chỉnh của quá trình tạo âm bao gồm các phương trình (2.27) và (2.31)
Giả sử p 1 là hằng số, trong bước đầu tiên của quá trình tuyến tính hóa cần xác định điểm cân bằng Tại điểm cân bằng, mọi đạo hàm theo thời gian đều bằng 0, do đó phương trình (2.31) sẽ có dạng:
Giá trị tại điểm cân bằng của phương trình (2.27) sẽ là:
Thực hiện tuyến tính hóa giá trị điểm cân bằng sẽ thu được phương trình trạng thái:
Phương trình đặc trưng có thể viết lại như sau:
Cho định thức trên bằng 0:
Từ đó ta xác định được giá trị đặc trưng của độ ổn định của còi
2.1.5 Góc bao phủ, hệ số định hướng và chỉ số định hướng của còi
Sau khi âm thanh được tạo ra trong còi, để đáp ứng yêu cầu phân bố âm đồng đều, hạn chế âm chết, giảm công suất nguồn phát, tăng số lượng âm vang và cộng hưởng cho từng mô hình truyền âm cụ thể Các vấn đề trên được giải quyết trong bài toán tối ưu phân bố mức năng lượng trong không gian và sẽ được chia làm 2 phần là: còi và mô hình truyền âm Ở mục này sẽ không trình bày các phương trình toán mà chỉ trình bày những thông số liên quan đến còi gồm: Q là hệ số định hướng, D I là chỉ số định hướng, Sr là góc khối (steradian), A là diện tích nhận âm, r là khoảng cách từ nguồn đến diện tích nhận âm, L I là mức cường độ âm, L P là mức áp suất âm, L W là mức năng lượng âm Liên hệ giữa các thông số trên được thể hiện qua:
Ngoài ra, còn 2 thông số khác là góc định hướng và hệ số định hưởng tỷ đối Góc định hướng 𝐶 ∠ là góc trên đồ thị cực của âm thanh mà tại đó áp suất âm giảm 6/dB so với trục phát, còn hệ số định hướng tương đối 𝑄 là tỷ số giữa cường độ trên trục phát của nguồn âm tại khoảng cách r và cường độ được tạo ra tại cùng vị trí bởi nguồn điểm cùng công suất [10] Liên hệ giữa hệ số định hướng tương đối và góc bao phủ của còi được thể hiện qua:
Mô hình truyền âm
Để giải quyết bài toán tối ưu vị trí lắp đặt, vị trí, tần số, số lượng cần xây dựng
Âm hình học (Ray Acoustic) với mục đích phân tích quỹ đạo, pha và cường độ của các tia âm với các mức công suất và hệ số bao phủ khác nhau, ảnh hưởng của hệ số hấp thụ và bề mặt vật liệu đến quỹ đạo và đặc tính phản xạ âm
Tương tác giữa âm thanh và kết cấu (Acoustic-Structure Interaction/ASI) với mục đích phân tích phân bố áp suất âm và ứng suất, rung động của kết cấu khi tương tác với âm thanh
Các bước tính toán cụ thể rất phức tạp, vì vậy trong phạm vi thực hiện sẽ không trình bày các phương trình mà chỉ sử dụng module Acoustic của phần mềm Comsol
Multiphysics hỗ trợ để mô hình hóa và mô phỏng sự lan truyền của sóng âm tuyến tính được tạo ra bởi còi Nhưng vì giới hạn của thiết bị thực hiện cũng như thiếu dữ liệu thiết kế và hệ số bao phủ của còi, mô hình âm hình học không thể thực hiện, trong phạm vi thực hiện chỉ có thể phân tích tương tác giữa âm thanh và kết cấu Cụ thể là kết cấu dạng vỏ nhằm giảm khối lượng tính toán, phù hợp với khả năng của thiết bị
Phần này sẽ chỉ trình bày sơ lược về tương tác giữa âm thanh và kết cấu, đồng thời giới thiệu về phần mềm Comsol Multiphysics, còn các bước thực hiện cho quá trình mô phỏng sẽ được trình bày ở Chương 3 Về tương tác giữa âm và kết cấu, với nguồn âm cùng công suất phát, cùng mức áp suất âm nhưng trong không gian mở và không gian kín sẽ có những khác biệt vì đặc tính hấp thụ và phản xạ âm của các âm thanh tần số cao và tần số thấp Âm tần số cao có đặc tính phản xạ với bề mặt cứng và bị hấp thụ bởi các vật liệu xốp, tiêu âm Âm tần số thấp có hệ số phản xạ với bề mặt cứng thấp hơn so với âm tần số cao nhưng ít bị hấp thụ bởi các vật liệu xốp, tiêu âm Đặc biệt, âm tần số thấp có mức năng lượng, biên độ dao động trong mỗi sóng cao hơn (tỉ lệ nghịch với tần số) và khả năng cộng hưởng trong không gian kín tốt hơn [11]
Về phần mềm, Comsol Multiphysics là một phần mềm đa nền tảng sử dụng phân tích phần tử hữu hạn và phân tích phần tử biên xử lý mô phỏng dựa trên các cơ sở vật lý (Physics) được xây dựng sẵn, đồng thời có thể mở rộng, kết hợp nhiều mô hình cơ sở vật lý (Physics) cụ thể lại với nhau để trở thành một mô hình đa cơ sở (Multiphysics) phù hợp với định hướng thực hiện đã xây dựng Các cơ sở vật lý được sử dụng cho quá trình mô phỏng gồm: áp suất âm theo miền tần số (Pressure Acoustic, Frequency Domain/PAFD) và kết cấu vỏ (Structural Mechanics-Shell) để kết hợp thành mô hình tương tác giữa âm thanh với kết cấu (ASI)
Phần mềm Comsol Multiphysics được ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực âm học, điện tử, hóa học, vật liệu…với các công cụ liên kết mạnh mẽ với các phần mềm khác (Matlab, Excel, Solidworks, Inventor…) có thể điều chỉnh mô hình 3D, thuật toán điều khiển, số liệu trực tiếp từ các phần mềm đã nêu song song với Comsol và tiến hành mô phỏng không cần nhập xuất file nhiều lần Nhưng Comsol chỉ phổ biến chủ yếu ở các nước Bắc Mỹ và Châu Âu vì ứng dụng phù hợp cho mục đích nghiên cứu phát triển sản phẩm và yêu cầu cấu hình máy tính mô phỏng rất cao, do đó mức độ phổ biến ở Việt Nam còn rất hạn chế.
Khảo sát một số mẫu còi thực tế
Như đã đề cập, để có thể khảo sát những đặc tính ở mục 2.2 của còi với âm tần số thấp và tần số cao cần thực hiện thí nghiệm với còi thực tế Nhưng vì giới hạn của khả năng chế tạo và giá trị của còi chuyên dụng để vệ sinh quá lớn, cùng với sự hạn chế về thiết bị đo áp suất âm, cho nên trong phạm vi có thể thực hiện chỉ sử dụng các còi của xe tải và ứng dụng đo mức cường độ âm Decibel X Pro trên điện thoại di động để thực nghiệm Phương pháp đo giá trị và phổ tần số của còi được tham khảo theo tài liệu training: “Measurement of Loudspeaker Directivity” [12] của công ty Klippel GmbH, các thông số của còi được thể hiện trong Bảng 2.1
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật còi thực nghiệm
Ký hiệu Mô tả Đơn vị Giá trị
Còi 1 Còi 2 Còi 3 r bán kính họng còi mm 9 9 6
L độ dài thân còi mm 890 710 400
𝛽 hệ số loe 4,6 5,3 7,3 a bán kính vị trí kẹp mm 45 45 32 b bán kính vị trí chuyển tiếp mm 19 19 14 vật liệu màng Inox 304 Inox 304 Inox 304
𝜌 khối lượng riêng màng kg/m 3 7900 7900 7900 h độ dày màng mm 0,5 0,5 0,3
2.3.1 Đo mức cường độ âm của còi trong không gian mở
Thực nghiệm đo mức cường độ âm của còi trong không gian mở có bố trí như
Hình 2.4 và được thực hiện như sau:
Đặt điện thoại cách miệng còi 1 m và sử dụng phần mềm Decibel X Pro để đo mức cường độ âm và phổ tần số
Sử dụng nguồn điện 12 VDC - 40 A và nguồn khí nén có áp suất 6 bar để cấp với chu kỳ 5 giây cấp và 5 giây nghỉ lần lượt cho 3 còi và ghi lại các giá trị, đồ thị
Hình 2.4 Bố trí đo mức cường độ âm trong không gian mở
Kết quả thu được như sau: a) Đồ thị mức cường độ âm theo thời gian b) Đồ thị mức cường độ âm theo phổ tần số 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
2.3.2 Đo mức cường độ âm của còi trong buồng kín
Thí nghiệm sử dụng các thiết bị tương tự như thí nghiệm đo trong không gian mở và được bố trí thực hiện như sau:
Đặt còi vào bên trong buồng kín với kích thước 1,2 1,2 1,2 m
Đặt điện thoại trong buồng kín cách miệng còi 1 m và sử dụng phần mềm
Decibel X Pro để đo mức cường độ âm và phổ tần số
Sử dụng nguồn điện 12 VDC - 40 A và nguồn khí nén có áp suất 6 bar để cấp với chu kỳ 5 giây cấp và 5 giây nghỉ lần lượt cho 3 còi và ghi lại các giá trị, đồ thị
Ghi nhận lại kết quả quan sát sự rung động được tạo bởi còi của vật mẫu được phủ phấn trên bề mặt
Hình 2.6 Bố trí đo mức cường độ âm trong buồng kín
Kết quả thu được như sau: a) Đồ thị mức cường độ âm theo thời gian b) Đồ thị mức cường độ âm theo phổ tần số 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 Đối với sự thay đổi mức cường độ âm theo thời gian, có thể thấy trong không gian mở cả 3 còi đều có phân bố mức cường độ âm như nhau với cùng hình dạng đường biểu diễn Các còi có mức cường độ âm thay đổi theo thời gian khá ổn định Còi 1 có độ vang lớn nhất, thấp nhất là còi 3
Sự thay đổi mức cường độ âm theo phổ tần số giữa ba còi là tương đối đồng đều trong không gian mở Sự thay đổi này ở còi 1 và 2 không lớn, sự khác biệt chỉ lớn hơn quanh khu vực vị trí có cường độ âm cực đại Mức cường độ âm thay đổi theo phổ tần số đáng kể hơn ở còi 3 Đối với buồng kín, sự thay đổi mức cường độ âm theo thời gian ở còi 1 và 2 không ổn định Các còi không mất hoàn toàn độ vang dù đã ngừng cấp khí nén Về phân bố cường độ âm theo tần số, có thể thấy cường độ âm giảm rõ rệt ngay khi qua điểm cường độ âm cực đại Còi 1 có cực trị tại tần số thấp nhất (667 Hz), khi ở trong buồng kín lại có mức cường độ âm lớn nhất (114,8 dB) Còi 3 có cực trị tại tần số cao nhất (4148 Hz), khi ở trong buồng kín có mức cường độ âm nhỏ nhất (113,5 dB)
2.3.3 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm đo mức cường độ âm của còi trong không gian mở
Việc so sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm mức cường độ âm được tạo bởi còi nhằm mục đích kiểm chứng sự chính xác của các kết quả mô phỏng, từ đó có thể tạo ra một cơ sở để rút ra các kết luận ở các chương sau Vì mục kiểm chứng này không nằm trong cơ sở lý thuyết của luận văn cho nên các kết quả mô phỏng sẽ được trình bày ở Phụ lục B.
Tổng kết
Từ các nội dung trên, có thể rút ra một số kết luận như sau:
Còi hàm mũ có sự tương thích trở kháng tốt nhất và cũng là lý do khiến hầu hết các hãng sản xuất thiết bị vệ sinh bằng sóng âm đều sử dụng biên dạng này
Hệ số loe là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến quá trình tạo âm và tần số tự nhiên của còi
Với mô hình thực nghiệm đã nêu, các còi có tần số tự nhiên khác nhau tạo ra mức cường độ âm trong không gian mở xấp xỉ nhau nhưng khi được đặt trong không gian kín còi có tần số tự nhiên thấp hơn đạt được mức cường độ âm cao hơn
CHƯƠNG 3: KẾT CẤU CÁC CỤM THIẾT BỊ
VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
Sau khi đã trình bày về quá trình tạo và truyền âm ở chương trước, chương này sẽ tiếp tục trình bày về các kết cấu các cụm thiết bị mô phỏng và phương pháp mô phỏng Trong đó, các đối tượng mô phỏng đã nêu không phải là cụm thiết bị vận hành độc lập và có những mối liên hệ với các thiết bị lân cận Mối liên hệ đó là một trong những yếu tố để thiết lập các cơ sở vật lý cho quá trình mô phỏng Do đó, ở phần kết cấu các cụm thiết bị mô phỏng sẽ cung cấp một góc nhìn tổng thể về quá trình hoạt động, các thông số vận hành cũng như kết cấu các đường ống của hệ thống lò hơi và hệ thống chân không thu hồi tro, giải thích lý do lựa chọn các đối tượng mô phỏng trước khi trình bày về các đối tượng
Tiếp theo, phần phương pháp mô phỏng sẽ trình bày các bước để thiết lập mô hình mô phỏng từ các dữ liệu của phần kết cấu các cụm thiết bị, quá trình tuyến tính hóa và đơn giản hóa các điều kiện cũng như dự kiến các kết quả và phương pháp đánh giá các kết quả ở chương tiếp theo.
Kết cấu các cụm thiết bị
3.1.1 Kết cấu, thông số kỹ thuật của hệ thống lò hơi, cụm ống quá nhiệt cấp 1 và cụm ống tái sấy cấp 1 a) Hệ thống lò hơi
Hệ thống lò hơi ngoài phân chia theo tiến trình của lưu chất còn được chia theo các cụm thiết bị, gồm bản thể lò và các thiết bị phụ lò hơi Trong đó, bản thể lò chính là đường ống thuộc phần Nước-Hơi vì nó mang tính đặc trưng cho lò hơi và cũng là thành phần quan trọng nhất Các nhóm thiết bị còn lại gồm: nhóm nước cấp, gió-khói, cung cấp nhiên liệu, ESP/Ash handling, FGD, điều khiển hơi chính/hơi tái sấy và đường tắt, nước làm mát phụ, gió nén gia dụng/kiểm soát, hóa chất lò hơi được phân vào thiết bị phụ lò hơi
Như đã giới thiệu ở Chương 1, bản thể lò gồm: bộ hâm, bao hơi, ống tường nước, ống trần và vách đuôi lò, bộ quá nhiệt và bộ tái sấy Trong đó, các ống tường nước, ống trần và vách đuôi lò sẽ tạo thành một không gian kín bao quanh tất cả các ống còn lại và được chia thành 2 khu vực là buồng lửa, chứa các bộ đốt và khu vực vách đuôi lò
Về bộ hâm, bộ hâm được lắp ở dưới cùng của ống vách đuôi và sắp xếp so le, đồng thời còn có các cánh tản nhiệt giúp tăng khả năng thu hồi nhiệt thải để gia nhiệt nước cấp từ 287℃ lên 325℃ trước khi vào bao hơi
Về bao hơi, bao hơi là một dạng bình áp suất có kết cấu hàn chế tạo từ thép tấm được lắp nằm ngang ở đỉnh lò Nước nhận từ bộ hâm của bao hơi sẽ được bơm tuần hoàn nước lò bơm cưỡng bức vào các ống sinh hơi để gia nhiệt Hơi bão hòa ẩm trở về bao hơi được dẫn qua khe hở giữa hai lớp vỏ của bao hơi, sau đó tiếp tục đi qua 2 cấp tách ẩm Nước đọng lại từ bộ tách ẩm kết hợp với nước cấp sẽ tiếp tục được 3 bơm tuần hoàn nước lò bơm vào các ống sinh hơi để tiếp tục sinh hơi Hơi sau khi qua bộ tách ẩm vẫn còn lẫn nước, vì vậy sẽ được đưa lên bộ sấy hơi để tiếp tục tách nước Hơi bão hòa khô từ bộ sấy sẽ tiếp tục được đưa đến bộ quá nhiệt
Về bộ quá nhiệt, bộ quá nhiệt được lắp bên trong buồng lửa với 3 cấp chồng lên nhau với bộ quá nhiệt cấp 1 được đặt ngay phía trên các bộ đốt và tiếp đến là bộ quá nhiệt cấp 2 và 3 ở phía trên Bộ quá nhiệt sẽ nhận nhiệt lượng bức xạ và bán bức xạ từ buồng lửa, gia nhiệt hơi bão hòa khô từ bởi bao hơi với nhiệt độ 359℃ lên 541℃ thành hơi quá nhiệt (hơi chính) cấp cho tuabin cao áp
Về bộ tái sấy, bộ tái sấy được phân làm 2 cấp: cấp 1 được lắp trong vách đuôi lò và nằm phía trên bộ hâm, cấp 2 nằm phía trên bộ quá nhiệt cấp 3 Bộ tái sấy sẽ nhận nhiệt lượng bán bức xạ và đối lưu để gia nhiệt hơi thoát tuabin cao áp từ 340℃ lên 541℃ trước khi cấp đến tuabin trung áp Trong đó, khói sau khi lên đỉnh lò sẽ được quạt tái tuần hoàn khói tuần hoàn cưỡng bức bên trong lò để tận dụng nhiệt lượng gia nhiệt cho bộ tái sấy cấp 1 Thông số kỹ thuật và kết cấu tổng thể của lò hơi sẽ được thể hiện qua Bảng 3.1, 3.2 và Hình 3.1
Bảng 3.1 Loại công nghệ lò hơi, thông số hơi và hiệu suất tương ứng
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật lò hơi tổ máy S1 Nhà máy Nhiệt điện Ô Môn 1
Kiểu Lò hơi cận tới hạn, tuần hoàn cưỡng bức, có tái sấy
Thông số hơi chính 16,7 MPa; 538 ℃; 1100 tấn/giờ
Thông số hơi tái sấy 3,65 MPa; 538 ℃; 806,5 tấn/giờ
Kiểu gia nhiệt Bức xạ, nửa bức xạ và đối lưu
Từ các cụm thiết bị trên, luận văn đã lựa chọn khảo sát tại cụm ống quá nhiệt cấp 1 và cụm ống tái sấy cấp 1 vì 2 cụm ống này là thiết bị chính của bộ quá nhiệt và bộ tái sấy, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cấp hơi cho tuabin và có những đặc tính mang tính đặc trưng Trong đó, cụm ống quá nhiệt cấp 1 có kích thước nhỏ nhất, được đặt ngay phía trên ngọn lửa, nhận nhiệt bức xạ trực tiếp và có nhiệt độ rất cao khoảng 1329℃ Các sản phẩm cháy dư nóng chảy tại đây sẽ bám vào các ống tạo thành những mảng kích thước lớn, đặc biệt cứng hơn so với các cụm ống khác
Cụm ống tái sấy cấp 1 lại có đặc tính trái ngược với cụm ống quá nhiệt số 1 với số lượng ống cũng như kích thước lớn nhất trong tất cả các cụm ống, có nhiệt độ thay đổi lớn theo độ cao (giảm từ 735 580℃), được gia nhiệt bằng phương pháp đối lưu và xỉ bám tại đây tạo thành 1 lớp vỏ giòn
Hình 3.1 Bản vẽ tổng thể kết cấu đường ống bên trong lò hơi tổ máy S1 b) Cụm ống quá nhiệt cấp 1
Cấu tạo của bộ quá nhiệt cấp 1 gồm: ống đầu vào bộ quá nhiệt cấp 1, ống góp đầu vào bộ quá nhiệt cấp 1, ống quá nhiệt cấp 1, đai kiềm ống, ống treo, ống góp đầu ra bộ quá nhiệt cấp 1 Các ống treo có đặc điểm trên cùng 1 ống sẽ có những đoạn vật liệu khác nhau Để đơn giản hoá, mô hình sẽ được đặt trong không gian hình hộp chữ nhật với kích thước 11,22 7,92 2 m bên trong vách lò, vì vậy sẽ loại bỏ phần ống đầu vào bộ quá nhiệt cấp 1 liên kết với các giàn ống khác và ống góp đầu vào/đầu ra vì được đặt bên ngoài vách lò Thông số kỹ thuật của cụm ống quá nhiệt cấp 1 được thể hiện qua Bảng 3.3 còn về phần bản vẽ kết cấu sẽ được thể hiện ở Phụ Lục C
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của cụm ống quá nhiệt cấp 1
Kiểu Panel ngang, có thể xả đọng Áp suất thiết kế 19,7 MPag
Diện tích trao đổi nhiệt 1070 m 2
Loại Đường kính ngoài (mm) Độ dày (mm)
Số lượng Vật liệu Khoảng cách
(mm) Ống quá nhiệt 38,1 4,1 54 panel x 6 ống SA-213T12 giữa các panel 204 giữa các ống 41 Ống treo 38,1 4,1 648 ống SA-213T12/
SA-210C 102 c) Cụm ống tái sấy cấp 1
Cấu tạo của bộ tái sấy cấp 1 gồm: ống góp đầu vào bộ tái sấy, nửa dưới cụm ống tái sấy cấp 1, nửa trên cụm ống tái sấy cấp 1, đai kiềm ống Các ống trong cụm ống tái sấy cấp 1 có đặc điểm trên cùng 1 ống sẽ có độ dày và vật liệu khác nhau
Tương tự như trên, mô hình sẽ được đơn giản hóa và đặt trong không gian hình hộp chữ nhật với kích thước 11,22 7,92 6,94 m bên trong vách lò, vì vậy sẽ loại bỏ phần ống góp đầu vào vì được đặt bên ngoài vách lò Vấn đề về nhiệt độ khói có sự chênh lệch theo độ cao tại đây không ảnh hưởng đến mô hình tuyến tính được giả định, vì trong tính toán trao đổi nhiệt sẵn có của nhà máy cụm ống tái sấy cấp 1 đã được chia làm 2 phần nửa trên và nửa dưới, các quá trình tiếp theo sẽ áp dụng tương tự và thực hiện mô phỏng cho từng phần riêng biệt Thông số kỹ thuật của cụm ống tái sấy cấp 1 được thể hiện qua Bảng 3.4, còn về bản vẽ kết cấu sẽ được thể hiện ở
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật cụm ống tái sấy cấp 1
Kiểu Panel ngang, có thể xả đọng Áp suất thiết kế 4,9 MPag
Diện tích trao đổi nhiệt 8190 m 2
Loại Đường kính ngoài (mm) Độ dày (mm)
Số lượng Vật liệu Khoảng cách
Nửa dưới bộ tái sấy cấp 1
Nửa trên bộ tái sấy cấp 1
3,5 108 panel x 06 ống SA-213T12 giữa các panel 102
3.1.2 Kết cấu, thông số kỹ thuật của hệ thống chân không thu hồi tro và nhà túi lọc a) Hệ thống chân không thu hồi tro
Hệ thống chân không thu hồi tro được chia làm 3 cụm:
Cụm thu hồi tro gồm: đường chuyển tro từ phễu ESP/GAH/ECO, van nhận tro, van nhận khí nén, van chọn đường chuyển tro, van chọn tổ máy, bộ gia nhiệt tro bằng hơi
Cụm bồn chứa tro gồm: bồn chứa tro, nhà túi lọc, van xả tro, quạt chân không, động cơ rung, bộ lọc thông thoáng bồn tro
Cụm xử lý tro gồm: bàn cấp tro, bộ trộn, van xoay, tháp hấp thụ, bơm chelate, bơm xả đọng, cửa xả tro
Quá trình hoạt động của cụm thu hồi tro và bồn chứa tro đã được nêu ở Chương
1, sau quá trình đó tro sẽ được xử lý sơ cấp bằng cách hòa trộn với nước và chelate để tạo hỗn hợp tro ướt nhằm hạn chế tro bay khi xả xuống các bao tải để vận chuyển đến nhà máy xử lý Trình tự và thời gian cho các bước sẽ được trình bày ở Hình 3.2, các thông số kỹ thuật và sơ đồ tổng thể của hệ thống được thể hiện qua Bảng 3.5 và
Hình 3.3 a) Cụm thu hồi tro và bồn chứa tro b) Cụm xử lý tro Hình 3.2 Biểu đồ trình tự và thời gian các bước xử lý trong hệ thống chân không thu hồi tro
Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật của hệ thống chân không thu hồi tro
Loại Thu hồi bằng chân không, xử lý tro tĩnh
Lưu lượng chuyển tro 3,6 tấn/giờ
Thể tích bồn tro 180 m 3 (1 ngày cho 2 tổ máy)
Lưu lượng xử lý tro thiết kế Tro khô: 2,5 tấn/giờ; tro ướt: 3,77 tấn/giờ
Lưu lượng nước bổ sung 1,08 tấn/giờ
Hình 3.3 Bản vẽ tổng thể các thiết bị thuộc hệ thống chân không thu hồi tro
Luận văn lựa chọn khảo sát nhà túi lọc vì túi lọc là tác nhân chính làm suy giảm chân không trong hệ thống và kết cấu của nhà túi lọc gần tương tự với các phễu và bồn chứa tro, chỉ khác biệt ở điểm có gắn thêm các khung túi lọc ở giữa Vì vậy, kết quả ở nhà túi lọc có thể sử dụng làm cơ sở cho các phân tích sau này ở các phễu và bồn chứa tro b) Nhà túi lọc
Phương pháp mô phỏng
Từ dữ liệu của các kết cấu trên, để có thể mô phỏng và phân tích cần thực hiện các bước sau:
Tạo mô hình hình học
Thiết lập mô hình mô phỏng vật lý
Mô phỏng, tổng hợp và xử lý kết quả mô phỏng
Chi tiết của các bước thực hiện sẽ được trình bày cụ thể ở các đề mục sau
Các bản vẽ 3D được xây dựng bằng phần mềm Inventor theo bản vẽ kết cấu và giới hạn thiết bị đã nêu Các bản sẽ sau khi xây dựng sẽ được xuất sang định dạng step để giảm dung lượng Kết quả quá trình xây dựng bản vẽ 3D được thể hiện qua Hình
3.8 a) cụm ống quá nhiệt cấp 1 b) cụm ống tái sấy cấp 1 c) nhà túi lọc
Hình 3.4 Bản vẽ 3D các kết cấu
3.2.2 Tạo mô hình hình học
Mục đích của việc tạo mô hình hình học dưới định dạng nhị phân mph.bin độc lập với mô hình mô phỏng vật lý là để có thể tùy chỉnh các kết quả, tạo các lựa chọn và làm giảm dung lượng so cũng như thời gian so với nhập trực tiếp bản vẽ 3D vào mô hình mô phỏng vật lý Nhưng trước khi tạo mô hình hình học cần xác định vị trí còi sẽ mô phỏng
Với 2 cụm ống, vì tường lò là mạng lưới dày đặc các đường ống nên sẽ ưu tiên lắp đặt tại các vị trí của các bộ thổi bụi cũ nhằm hạn chế ảnh hưởng đến kết cấu lò và lưu lượng hơi cấp Vị trí lắp đặt còi dự kiến được thể hiện theo Hình 3.5 và Bảng 3.8,
Bảng 3.9, Bảng 3.10 Trong đó vị trí 1R/1L/2R/2L thuộc về cụm ống quá nhiệt cấp 1, vị trí 7R/7L/8R/8L thuộc về nửa trên cụm ống tái sấy cấp 1, vị trí 9R/9L/10R/10L thuộc về nửa dưới cụm ống tái sấy cấp 1 Giá trị nhiệt độ tương ứng với vị trí lắp đặt sẽ được trình bày ở Phụ Lục C
Với nhà túi lọc, còi sẽ được giả sử đặt ở 3 vị trí được thể hiện qua Hình 3.6 và
Bảng 3.11 Trong đó, không thể đặt còi ở vị trí gần miệng phễu vì vướng kết cấu sàn đỡ nhà túi lọc
Hình 3.5 Vị trí các bộ thổi bụi
Hình 3.6 Vị trí lắp đặt còi giả định tại nhà túi lọc
Bảng 3.8 Vị trí lắp đặt còi tại mô hình cụm ống quá nhiệt cấp 1
Bảng 3.9 Vị trí lắp đặt còi tại mô hình nửa dưới cụm ống tái sấy cấp 1
Bảng 3.10 Vị trí lắp đặt còi tại mô hình nửa trên cụm ống tái sấy cấp 1
Bảng 3.11 Vị trí lắp đặt còi tại mô hình nhà túi lọc
Mô hình hình học được tạo toàn bộ ở thẻ Geometry theo các bước sau:
Bước 1: Nhập bản vẽ 3D kết cấu bằng lệnh Import và hợp nhất các kết cấu thành một khối thông qua lệnh Boolean Selection – Union
Bước 2: Thiết lập tương tựđối với các còi, sau đó sử dụng lệnh Rotate và
Move để di chuyển còi đến các vị trí đã lựa chọn Nhằm đơn giản hóa, không cần thiết lập điều kiện áp suất và tạo âm từ màng âm cho mô phỏng vật lý, thân còi sẽ mô hình dưới dạng khối đặc và mặt cắt tại vị trí họng còi sẽ được gán điều kiện biên áp suất ở mô hình mô phỏng
Bước 3: Với 2 cụm ống, sử dụng lệnh Block để tạo khối với kích thước tương ứng với giới hạn không gian mô phỏng đã nêu Với nhà túi lọc không cần thực hiện bước này
Bước 4: Chọn Defeaturing & Repair và sử dụng lệnh Cap Faces để chọn các biên của các miền cần điền đầy bên trong và tạo miền điền đầy Trong đó, miền điền là miền hơi đối với 2 cụm ống, là miền không khí đối với nhà túi lọc
Bước 5: Với 2 cụm ống, sử dụng lệnh lựa chọn nhị phân Different lựa chọn
Objects to add là khối đã tạo và Objects to subtract là miền hơi và các miền ống và còi để tạo một miền không khí bao bên quanh kết cấu với mô hình cụm ống nằm trong giới hạn của khối đã tạo Miền không khí bao quanh kết cấu có thể tích V = Vblock – Vcòi – Vống – Vhơi, với mỗi V sẽ tương ứng với mỗi miền đã nêu Với nhà túi lọc, không cần thực hiện bước này vì đã tạo được miền không khí bao quanh kết cấu ở Bước 4
Bước 6: Sử dụng lệnh Delete để xóa tất cả các miền trừ miền không khí, vì miền không khí bao quanh sẽ được sử dụng để tạo kết cấu vỏ cho mô hình mô phỏng vật lý
Bước 7: Sử dụng lệnh Export để xuất mô hình hình học sang định dạng nhị phân mph.bin
Hình 3.7 Mô hình hình học cụm ống quá nhiệt cấp 1 a) nửa dưới b) nửa trên
Hình 3.8 Mô hình hình học cụm ống tái sấy cấp 1
Hình 3.9 Mô hình hình học nhà túi lọc
3.2.3 Thiết lập mô hình mô phỏng vật lý
Như đã đề cập ở Chương 2, mô hình ASI được thiết lập từ 2 cơ sở vật lý gồm áp suất âm theo miền tần số (PAFD) và kết cấu vỏ, tương ứng với 2 loại vật liệu là không khí và vật liệu đàn hồi tuyến tính (các kim loại kết cấu) Từ cơ sở đó sẽ tiến hành tạo mô hình mô phỏng để phân tích rung động trong trường âm tổng điều hòa ổn định Có một số đặc điểm giả định cho mô hình mô phỏng vật lý này gồm: mô hình truyền âm tuyến tính đồng nhất về nhiệt độ và áp suất, các kết cấu vỏ trong mô hình 2 cụm ống đồng nhất về vật liệu và độ dày, các lưới của khung đựng túi lọc và túi lọc sẽ được đơn giản hóa thành một cụm dạng vỏ duy nhất và giả định vị trí còi, số lượng còi, tần số khác nhau Quan trọng nhất là giả định còi đơn âm với tần số mô phỏng là tần số tự nhiên cần thiết vì tại tần số tự nhiên, kết quả mô phỏng có sai số với kết quả thực nghiệm là thấp nhất
Trước khi thực hiện mô phỏng ASI, luận văn sẽ mô phỏng mô hình sử dụng cơ sở PAFD (mô hình PAFD) để phân tích trường âm tổng điều hòa ổn định từ đó lựa chọn phương án bố trí còi tối ưu, sau đó sẽ mô phỏng mô hình ASI với phương án đã chọn Vì đối tượng mô phỏng có nhiều trường hợp giả định khác nhau, cho nên tại đề mục này chỉ trình bày các bước tiến hành tổng quát, các giá trị thiết lập sẽ được trình bày cùng với kết quả đạt được ở Chương 4 Các bước thực hiện thiết lập mô hình
PAFD và ASI sẽ được trình bày ở mục tiếp theo sau a) Thiết lập mô hình PAFD
Bước 1: Nhập các mô hình hình học đã tạo bằng lệnh Import
Bước 2: Tạo danh sách các lựa chọn bằng lệnh Explicit cho từng loại biên kết cấu như tường, các đường ống và còi để lưu trữ và tái sử dụng cho các bước sau mà không cần lựa chọn thủ công lại
Bước 3: Chọn Remove Detail để khắc phục, loại bỏ các chi tiết lỗi do kết cấu phức tạp hoặc sai lệch khi tạo bản vẽ 3D và tiến hành quá trình xuất–nhập giữa
2 phần mềm, lỗi có thể ảnh hưởng đến quá trình tạo lưới và mô phỏng
Bước 4: Sử dụng lệnh Virtual Operation – Mesh Control Faces và Mesh
Control Edges để tạo các biên/cạnh được loại trừ khi tạo lưới cho các biên/cạnh chung có cùng vật liệu nhằm hạn chế lỗi khi tạo lưới
Bước 5: Chọn Add Material để tạo các vật liệu tương ứng với các miền và các biên
Bước 6: Chọn Add Physic – Acoustic – Pressure Acoustic, Frequency Domain, sau khi thêm cơ sở phần mềm sẽ tựđộng tạo 3 điều kiện biên cơ bản gồm: Pressure Acoustic, Sound Hard Boundary Walls (Biên cứng phản xạ toàn phần), Initial Value (Giá trị áp suất âm nền)
Bước 7: Thêm các điều kiện biên: Perfectly Matched Boundary (Biên hấp thụ âm toàn phần), Pressure và sử dụng các lựa chọn độc lập phù hợp đã tạo áp dụng cho các điều kiện biên
Bước 8: Sử dụng lệnh Size để tùy chỉnh kích thước lưới cho các miền và các biên
Bước 9: Sử dụng lệnh Free Tetrahedral để tạo lưới tứ diện tự do
Bước 10: Chọn Add Study – Frequency Domain, nhập tần số cần mô phỏng, mô hình PAFD tương ứng và tiến hành mô phỏng b) Thiết lập mô hình ASI
Mô hình ASI được thiết lập theo các bước sau:
Bước 1~Bước 7 của mô hình ASI được tạo tương tự với mô hình PAFD
Bước 8: Chọn Add Physic – Structural Mechanics – Shell, sau khi thêm cơ sở phần mềm sẽ tự động tạo 3 điều kiện biên cơ bản gồm: Linear Elastic
Material, Thickness and Offset, Initial Value (Giá trị ứng suất nền) và điều kiện cạnh Free
Tổng kết
Từ các nội dung đã trình bày, tổng kết được kết quả như sau:
Hoàn thành tổng hợp các dữ liệu, xây dựng bản vẽ 3D và mô hình hình học sử dụng cho mô phỏng
Các mô hình có một số giới hạn về vị trí và số lượng lắp đặt còi
Các giả định về tuyến tính hóa điều kiện nhiệt độ, áp suất, đơn giản hóa thành kết cấu vỏ với các điều kiện vật liệu và độ dày đồng nhất và sử dụng thuật toán trung bình sẽ làm xuất hiện sai số khi mô phỏng
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG, TỔNG HỢP
VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Từ các dữ liệu, bản vẽ 3D, mô hình hình học và các bước thực hiện của chương trước, chương này sẽ trình bày về các thông số được sử dụng trong quá trình mô phỏng mô hình PAFD và ASI Trong đó, với cụm ống quá nhiệt cấp 1 và cụm ống tái sấy cấp 1 sẽ mô phỏng PAFD trên mô hình hình học đầy đủ Từ kết quả mô phỏng mô hình PAFD, lựa chọn phương án tối ưu và tiến hành mô phỏng ASI phương án đã chọn với mô hình hình học thu gọn có số lượng ống được giảm thiểu chỉ đặt ở vị trí trung tâm và 2 phía biên của các cụm ống nhằm phù hợp với giới hạn của thiết bị mô phỏng Trước khi đánh giá khả năng tạo rung động, để đảm bảo tính chính xác luận văn sẽ tiến hành so sánh các giá trị và biểu đồ của các mô hình đầy đủ và mô hình đơn giản hóa Với nhà túi lọc chỉ thực hiện mô phỏng PAFD, lựa chọn phương án tối ưu và tiến hành mô phỏng ASI, không cần thực hiện trên mô hình thu gọn.
Mô phỏng mô hình PAFD
Quá trình mô phỏng mô hình PAFD sẽ được chia làm nhiều mẫu để khảo sát, trong đó:
Cụm ống quá nhiệt cấp 1 và 2 nửa cụm ống tái sấy cấp 1 sẽ khảo sát các vị trí và số lượng còi như sau: 4 còi, 2 còi đối xứng, 2 còi so le, 2 còi song song
Nhà túi lọc sẽ khảo sát các vị trí và số lượng còi như sau: 1 còi ở tầng dưới,
1 còi ở đỉnh, 2 còi song song ở 2 tầng, 2 còi vuông góc với 1 ở đỉnh và 1 ở tầng dưới
Các dữ liệu mô phỏng được thể hiện qua Bảng 4.1, Bảng 4.2 và Bảng 4.3 Dữ liệu và hình ảnh của các mô hình hình học thu gọn và cấu hình thiết bị mô phỏng sẽ được trình bày ở Phụ lục D Riêng mức áp suất âm sử dụng cho quá trình mô phỏng được lựa chọn dựa trên dữ liệu của các còi phổ biến nhất, được hầu hết các hãng chế tạo sử dụng với thông số ghi nhận là 150 dB ở khoảng cách 1 m so với miệng còi Ngoài ra, vì số lượng hình ảnh thu thập được từ quá trình mô phỏng rất lớn cho nên ở phần nội dung chính chỉ trình bày hình ảnh của kết quả được lựa chọn, các kết quả còn lại sẽ được trình bày ở Phụ lục E
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
Thông số Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4
Bảng 4.2 Vị trí và số lượng còi của các mẫu khảo sát nhà túi lọc
Thông số Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4
Bảng 4.3 Dữ liệu mô phỏng mô hình PAFD của các cụm thiết bị
Mô tả Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Tần số mô phỏng 100; 250; 1000 Hz
Nửa dưới tái sấy cấp 1 853 °𝐾 Nửa trên tái sấy cấp 1 1008 Nhà túi lọc 443 Áp suất tuyệt đối p a
1,113 Nửa dưới tái sấy cấp 1 atm
Nửa trên tái sấy cấp 1 Nhà túi lọc 0,408 Áp suất âm nền p i 1 Pa Áp suất nguồn âm P 0 1264,82 Pa
Hệ số hấp thụ âm 𝛼
Khối lượng riêng không khí rho rho(pA,T) kg/m 3
Vận tốc âm thanh c cs(T) m/s
4.1.1 Mô hình PAFD cụm ống quá nhiệt cấp 1
Từ các biểu đồ phân bố áp suất âm tại cụm ống quá nhiệt cấp 1, có thể thấy tại đây không xuất hiện hiện tượng phân tầng theo độ cao, phân bố áp suất âm xấp xỉ nhau từ các ống trên cùng đến dưới cùng do cụm ống quá nhiệt có kích thước theo phương Oy (cao độ) nhỏ Ngoài ra, phân bố áp suất âm còn mang đặc trưng theo tần số, các biểu đồ của tại 3 tần số của 4 mẫu đều có hình dạng tương tự nhau
Theo mặt phẳng Oxz, tại tần số 100 Hz sẽ tạo thành 3 vùng xen kẽ theo phương
Oz, 1 vùng tập trung ở giữa các ống và 2 vùng còn lại ngược pha ở 2 đầu ống Với tần số 250 Hz sẽ phân bố thành những vùng lớn hình dạng gần tròn không đều xen kẽ nhau còn với tần số 1000 Hz sẽ phân thành nhiều vùng gợn sóng nhỏ xen kẽ
Có thể thấy, các trường áp suất xen kẽ ở với mật độ càng cao sẽ gây hạn chế cho việc tạo rung động dù áp suất tác động cao, nguyên lý tương tự với dầm chịu ứng lực Ngoài ra, theo kết quả thực nghiệm tại vị trí cụm ống quá nhiệt cấp 3 và cụm ống tái sấy cấp 2 thuộc nghiên cứu: “Field testing of acoustic cleaning system working in
670 MW CFB boiler” [4] với mức áp suất âm 130 dB tại tần số 100 Hz, nhiệt độ
800 ℃ chưa đủđể có thể làm sạch các đường ống Từ Bảng 4.4 và biểu đồ phân bố áp suất âm có thể thấy ở tần số 100 Hz, chỉ có mẫu 1 ở 3 vị trí trí khảo sát cũng như giá trị trung bình tại tất cả các bề mặt đều có giá trị cao nhất và lớn hơn 130 dB, do đó sẽ lựa chọn mẫu 1 để khảo sát và mô phỏng ASI Các biểu đồ của mẫu 1 sẽ được biểu diễn ở Hình 4.1 và Hình 4.2
Bảng 4.4 Giá trị mô phỏng mô hình PAFD cụm ống quá nhiệt cấp 1 Điều kiện khảo sát Mức áp suất âm (dB)
Hình 4.1 Biểu đồ phân bố áp suất âm của mẫu 1 mô hình PAFD cụm ống quá nhiệt cấp 1
Hình 4.2 Biểu đồ mức áp suất âm theo thể tích của mẫu 1 mô hình PAFD cụm ống quá nhiệt cấp 1
Vì phân bố áp suất âm mang đặc tính theo tần số và đã được trình bày phía trên, do đó sẽ không trình bày lại và sẽ tiến hành phân tích biểu đồ tần suất ở Hình 4.2 Có thể thấy ở cả 3 tần số đều lệch trái về phía có mức áp suất âm cao Với tần số 100 Hz và 1000 Hz phân phối mức áp suất âm theo thể tích xấp xỉ nhau, nhưng ở có giá trị cực đại chênh lệch khá lớn 14 dB tương ứng với áp suất âm chênh lệch 5 lần Với tần số 250 Hz, biểu đồ có phân bố mật độ tương tự nhưng giá trị mức áp suất âm nhỏ hơn
4.1.2 Mô hình PAFD cụm ống tái sấy cấp 1 a) Nửa dưới cụm ống tái sấy cấp 1
Vì còi được đặt tại ví trí có khoảng cách giữa các ống theo phương thẳng đứng lớn nhất, tạo được một khoảng không để giao thoa trực tiếp không qua phản xạ, do đó tại mô hình này các phân bố áp suất âm cũng rất đặc biệt, theo nguyên tắc và dạng hình học rõ ràng, không xuất hiện sự phân tầng theo độ cao ở tầng số 100 Hz và 250
Hz Tại tần số 100 Hz, áp suất âm phân bố tạo thành những vùng hình chữ nhật có chiều dài xấp xỉ với kích thước theo phương Oz của mô hình và phân bố xen kẽ theo phương Ox Với tần số 250 Hz sẽ phân bố thành những vùng hình chữ nhật gần đều xen kẽ nhau và với tần số 1000 Hz phân bố áp suất âm được chia thành nhiều vùng nhỏ xen kẽ theo cả 3 phương
Với mô hình này, từ Bảng 4.5 có thể dễ dàng nhận thấy được ở mẫu 3 với 2 còi đối diện có mức áp suất âm ở tần số 100 Hz có giá trị lớn nhất, do đó sẽ lựa chọn mẫu
3 để khảo sát và mô phỏng ASI Các biểu đồ của mẫu 3 sẽ được biểu diễn ở Hình 4.3 và Hình 4.4
Bảng 4.5 Giá trị mô phỏng mô hình PAFD nửa dưới cụm ống tái sấy cấp 1 Điều kiện khảo sát Mức áp suất âm (dB)
Hình 4.3 Biểu đồ phân bố áp suất âm của mẫu 1 mô hình PAFD nửa dưới cụm ống tái sấy cấp 1
Hình 4.4 Biểu đồ mức áp suất âm theo thể tích của mẫu 3 mô hình PAFD nửa dưới cụm ống tái sấy cấp 1
Tương tự như như mô hình cụm ống quá nhiệt cấp 1, với phân bố áp suất âm mang đặc tính theo tần số và đã được trình bày phía trên, do đó sẽ không trình bày lại và sẽ tiến hành phân tích biểu đồ tần suất ở Hình 4.4 Tần số 100 Hz có biểu đồ phân phối 1 chiều có xu hướng tăng đến cực đại về thể tích và mức áp suất âm khác với 2 biểu đồ còn lại sau khi đến khoảng 130 ~ 140 dB thì thể tích của các mức áp suất âm cao hơn có xu hướng giảm Phân phối mức áp suất âm của tần 250 Hz tập trung chủ yếu từ 120 ~ 150 dB và lệch trái, còn với tần số 1000 Hz phân phối chủ yếu từ 130 ~
140 dB và lệch phải Từ biểu đồ trên có thể thấy tần số 250 Hz có sự chênh lệch mức áp suất âm thấp nhất, còn với tần số 100 Hz thì hoàn toàn ngược lại b) Nửa trên cụm ống tái sấy cấp 1
Phân bố áp suất âm của mô hình nửa trên cụm ống tái sấy cấp 1 chịu ảnh hưởng lớn của vị trí khảo sát, do các vị trí khảo sát được đặt lệch về phía trên gần với ống cấp cho cụm ống tái sấy cấp 2 Tại mô hình này xuất hiện sự phân tầng áp suất âm theo phương Oy Tại tần số 100 Hz sẽ được chia làm 2 tầng đồng dạng hình học và ngược pha, tại tần số 250 Hz cũng tương tự nhưng tùy vào từng bố trí sẽ có sự phân tầng khác nhau từ 1 đến 3 tầng Theo mặt phẳng xOz, phân bố của tần số 100 Hz sẽ chia thành 2 vùng là vùng trung tâm và vùng 4 góc, còn với tần số 250 Hz phân thành những vùng có xu hướng bao quanh tâm của mô hình trừ mẫu 2 Tại tần số 1000 Hz có phân bố tương tự với mô hình nửa dưới
Với mô hình này, rất khó để phân tích dựa trên phân bố áp suất âm do sự khác biệt quá ở cả 4 mẫu, vì vậy sẽ lựa chọn mẫu có các giá trị lớn nhất, là mẫu 1 Các biểu đồ của mẫu 1 sẽ được biểu diễn ở Hình 4.5 và Hình 4.6
Bảng 4.6 Giá trị mô phỏng mô hình PAFD nửa trên cụm ống tái sấy cấp 1 Điều kiện khảo sát Mức áp suất âm (dB)
Hình 4.5 Biểu đồ phân bố áp suất âm của mẫu 1 mô hình PAFD nửa trên cụm ống tái sấy cấp 1
Hình 4.6 Biểu đồ mức áp suất âm theo thể tích của mẫu 1 mô hình PAFD nửa trên cụm ống tái sấy cấp 1
Từ Hình 4.6 có thể thấy phân phối mức áp suất âm theo thể tích của mẫu 1 này tương tự như mẫu 1 của mô hình cụm ống quá nhiệt cấp 1, điểm khác biệt là biểu đồ có phân phối mức áp suất âm thấp nhất thuộc về tần số 100 Hz, còn 2 tần số 250 Hz và 1000 Hz thì xấp xỉ nhau
Mô phỏng mô hình ASI
Từ kết quả mô phỏng của mục 4.1, tiến hành mô phỏng mô hình ASI với các dữ liệu được thể hiện qua Bảng 4.4 Trong đó, dữ liệu của cơ sở PAFD trong mô hình ASI hoàn toàn tương tự của mô hình PAFD vì vậy sẽ không trình bày lại Ngoài ra, vì không có dữ liệu về hệ số Poission của thép S-ten, trong luận văn sẽ sử dụng thông số chung của thép hợp kim (𝜈 0,3 cho vật liệu này
Bảng 4.8 Thông số mô phỏng cho mô hình ASI
Mô tả Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Tần số mô phỏng 100; 250; 1000 Hz
SA-213T12 Nửa dưới tái sấy cấp 1
Nửa trên tái sấy cấp 1
Khối lượng riêng vật liệu rho
7874 kg/m 3 Nửa dưới tái sấy cấp 1
Nửa trên tái sấy cấp 1 Nhà túi lọc 7850
Nửa dưới tái sấy cấp 1 GPa Nửa trên tái sấy cấp 1 Nhà túi lọc 198,3 [13]
Nửa dưới tái sấy cấp 1 Nửa trên tái sấy cấp 1 Nhà túi lọc 0,3 Độ dày t
Quá nhiệt cấp 1 4,1 mm Nửa dưới tái sấy cấp 1 4,6
Nửa trên tái sấy cấp 1 4,6
Nhiệt độ tham chiếu của vật liệu 𝑇
Nửa dưới tái sấy cấp 1 617 °𝐾 Nửa trên tái sấy cấp 1 814 Nhà túi lọc 443
Từ quá trình mô phỏng ASI cho các mô hình hình học thu gọn thu được biểu đồ không gian phân bố áp suất âm và bảng dữ liệu như sau:
Bảng 4.9 So sánh mức áp suất âm giữa các mô hình đầy đủ và mô hình thu gọn
Mức áp suất âm (dB) Quá nhiệt cấp 1 Nửa dưới tái sấy cấp 1
Nửa trên tái sấy cấp 1 Đầy đủ Thu gọn Đầy đủ Thu gọn Đầy đủ Thu gọn
Hình 4.9 Biểu đồ phân bố áp suất âm của mẫu 1 mô hình ASI cụm ống quá nhiệt cấp 1
Hình 4.10 Biểu đồ phân bố áp suất âm của mẫu 3 mô hình ASI nửa dưới cụm ống tái sấy cấp 1
Hình 4.11 Biểu đồ phân bố áp suất âm của mẫu 1 mô hình ASI nửa trên cụm ống tái sấy cấp 1
Từ các biểu đồ các bảng số liệu trên, rút ra được nhận xét như sau:
Với cụm ống quá nhiệt cấp 1: mô hình đầy đủ và thu gọn có biểu đồ phân bố áp suất âm hoàn toàn giống nhau, chỉ khác vềđộ lớn của các giá trị áp suất Trong đó, với tần số 100 Hz và 250 Hz có sự chênh lệch thấp 2% nên có thể sử dụng để phân tích và đánh giá rung động, còn với 1000 Hz thì chỉ có thể sử dụng để đánh giá vị trí và phân bố của các rung động
Với cụm ống tái sấy cấp 1: hầu hết các mô hình đầy đủ và thu gọn có biểu đồ phân bố áp suất âm khác nhau, do đó không thể sử dụng để phân tích và đánh giá rung động đạt được Chỉ duy nhất tại tần số 250 Hz của nửa dưới cụm ống tái sấy cấp 1 có giá trị và phân bố mức áp suất âm tương đối tương tự, có thể sử dụng để phân tích
4.2.1 Mô hình ASI cụm ống quá nhiệt cấp 1
Phân bố rung động của mô hình sẽ được thể hiện qua Hình 4.12, Hình 4.13,
Hình 4.14 và Bảng 4.10 a) Ở 2 phía trái/phải b) Ở giữa 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 a) Ở 2 phía trái/phải b) Ở giữa 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 a) Ở 2 phía trái/phải b) Ở giữa 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
Bảng 4.10 Biên độ rung động của mẫu 1 mô hình ASI cụm ống quá nhiệt cấp 1 Điều kiện khảo sát Biên độ rung động (𝝁𝒎)
Có thể thấy, phân bố rung động tại cả 3 tần số đều phân ra thành những đoạn có độ dài xấp xỉ nhau và đều có biên độ thấp hơn ở các ống giữa Điểm khác biệt là tại tần số 100 Hz và 1000 Hz rung động biên độ cao tập trung ởđoạn giữa của các ống, còn tại tần số 250 Hz thì tập trung tại các đầu ống
Nguyên lý của việc vệ sinh ống là tạo rung động vượt qua trạng thái ổn định đến dưới trạng thái nguy hiểm của thiết bị trong thời gian ngắn, theo tài liệu: “Flow Induced Vibration Classifications and Lessons from Practical Experiences” [14] của tác giả Tomomichi Nakamura, biên độ rung động nền trong hệ thống đường ống lò hơi xấp xỉ 10 𝜇𝑚 và tùy theo tần số sẽ có những giới hạn mất ổn định khác nhau Từ
Hình 4.15 ghi nhận được với tần số 100 Hz biên độ tối thiểu là 80𝜇𝑚, với tần số 250
Hz là 25 𝜇𝑚 Vì vậy, dù biên độ rung động được tạo ra bởi tần số 100 Hz có giá trị trung bình lớn nhất, ngay cả khi cộng biên độ rung động đỉnh và biên độ nền vẫn quá thấp để có thể làm sạch
Hình 4.15 Tiêu chí đánh giá SwRI’s cho rung động trong đường ống
4.2.2 Mô hình ASI cụm ống tái sấy cấp 1
Như đã nêu, trong luận văn chỉ trình bày mẫu 3 mô hình ASI nửa dưới cụm ống tái sấy cấp 1 tại tần số 250 Hz Phân bố rung động của mô hình sẽ được thể hiện qua
Hình 4.16 và Bảng 4.11 a) Ở phía trái b) Ở giữa c) Ở phía phải 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
Bảng 4.11 Biên độ rung động của mẫu 3 mô hình ASI nửa dưới cụm ống tái sấy cấp 1 Điều kiện khảo sát Biên độ rung động (𝝁𝒎)
Từ Hình 4.15 có thể thấy sự không đồng đều trong phân bố, rung động cường độ cao tập trung ở phía trên, thấp hơn ở phía dưới và gần như bằng 0 ở đoạn giữa tương ứng với 3 tầng phân bố áp suất âm đã nêu Tương tự như cụm ống quá nhiệt cấp 1, biên độ rung động được tạo ra bởi mẫu này cũng quá thấp, không đủ để làm sạch
4.2.3 Mô hình ASI nhà túi lọc
Phân bố rung động của mô hình sẽ được thể hiện qua Hình 4.17 và Bảng 4.12
Vì giá trị tại cả 3 tần số quá lớn chỉ ở một số vị trí, do đó biểu đồ đã được giới hạn giá trị tối đa theo thứ tự từ 990 xuống 600, từ 1250 xuống 600 và từ 1300 xuống 200 để có thể quan sát phân bố tại các vị trí khác
Hình 4.17 Biểu đồ phân bố rung động của mẫu 2 mô hình ASI nhà túi lọc
Bảng 4.12 Biên độ rung động của mẫu 2 mô hình ASI nhà túi lọc
Do chưa có dữ liệu chính xác để đánh giá độ rung ở mô hình nhà túi lọc cho nên luận văn sẽ dựa theo tài liệu đã nêu ở mục 4.2.1 để đánh giá Từ Hình 4.17 và Bảng
4.12 có thể thấy phân bố của tần số 100 Hz và 1000 Hz không đều, tập trung biên độ đặc biệt cao tại khung túi lọc nhưng tại phễu biên độ lại quá thấp Biên độ quá lớn có thể dẫn đến hư hỏng các khung do chỉ cố định 1 đầu, còn biên độ quá thấp tại phễu dẫn đến không tạo đủ rung động để đánh bật tro bám Khác với 2 tần số trên, tại tần số 250 Hz phân bố sẽ phân thành nhiều khu vực có giá trị khác nhau nhưng trong mỗi khu vực thì có giá trị xấp xỉ nhau, tuy tại khung túi lọc dưới có biên độ rung động thấp khoảng 48 𝜇𝑚 nhưng vẫn còn hệ thống phun xung vệ sinh túi lọc riêng Các giá trị tại khung túi lọc trên và tại phễu có giá trị trung bình 112,66 và 191,25 𝜇𝑚 nằm trong vùng bất ổn định cho phép và phù hợp để sử dụng làm thiết bị làm sạch.
Tổng kết
Sau khi thực hiện mô phỏng và đánh giá các kết quả, có thể tổng kết được một số vấn đề như sau:
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
Nguồn âm ở mô hình cụm ống quá nhiệt cấp 1, nửa dưới cụm ống tái sấy cấp 1 và nhà túi lọc tạo được sự cộng hưởng giúp tăng giá trị áp suất âm, ngoài ra còn tạo được giao thoa ổn định giúp cho âm phân bố đồng đều hơn
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
Việc thu gọn số lượng ống tạo ra sai số, chỉ phù hợp ở một số mẫu và sai số quá lớn dẫn đến không thể đánh giá kết quả mô phỏng ASI tại tần số 1000 Hz của cụm ống quá nhiệt và gần như toàn bộ kết quả mô phỏng ASI của cụm ống tái sấy
Các mẫu đã khảo sát tại cụm ống quá nhiệt cấp 1 và cụm ống tái sấy cấp 1 chưa tạo ra rung động đủ để làm sạch ống
Mẫu 2 với 1 còi có tần số tự nhiên 250 Hz, mức áp suất âm tại miệng còi 156,02 dB được đặt ở đỉnh nhà túi lọc phù hợp để sử dụng làm thiết bị làm sạch.