Đang tải... (xem toàn văn)
Giáo trình nồi hơi tàu thủyGiáo trình nồi hơi tàu thủyGiáo trình nồi hơi tàu thủyGiáo trình nồi hơi tàu thủyGiáo trình nồi hơi tàu thủyvGiáo trình nồi hơi tàu thủyGiáo trình nồi hơi tàu thủyGiáo trình nồi hơi tàu thủyGiáo trình nồi hơi tàu thủyGiáo trình nồi hơi tàu thủyGiáo trình nồi hơi tàu thủyGiáo trình nồi hơi tàu thủyGiáo trình nồi hơi tàu thủyGiáo trình nồi hơi tàu thủyGiáo trình nồi hơi tàu thủy
TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hiệu đính: TS. Nguyễn Đại An NỒI HƠI TÀU THỦY NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, hơi nước là một trong những công chất được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dịch vụ. Ta có thể nhận thấy sự có mặt của hơi nước trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội từ những ứng dụng công nghiệp nặng như sản xuất năng lượng, gia công chế tạo... đến những nhu cầu hàng ngày của con người như hâm nóng, sấy sưởi... Một số liệu thống kê về năng lượng cho thấy tính trên toàn thế giới, 80 – 90% điện năng sản xuất được là từ việc sử dụng hơi nước. Sở dĩ hơi nước phổ biến như vậy là do nó có rất nhiều ưu điểm như: tính kinh tế, sẵn có, không độc hại, có khả năng giãn nở lớn, sinh công lớn... Nói riêng về lĩnh vực kỹ thuật tàu thủy, từ thế kỷ 17 – 18 hơi nước đã được ứng dụng rất phổ biến trên các con tàu để phục vụ cho hệ động chính lai chân vịt. Ngày nay, tuy hệ động lực Diesel gần như đã được trang bị cho toàn bộ đội tàu thế giới, hơi nước vẫn được sử dụng cho nhiều mục đích cần thiết dưới tàu như: sinh công trong các máy phụ, phục vụ sinh hoạt của thuyền viên, là chất công tác trong các thiết bị trao đổi nhiệt... Nồi hơi là thiết bị sinh hơi chính trong hệ động lực hơi nước. Với hệ động lực hơi nước ở trên bờ, hơi nước được cấp cho tua bin hơi để lai máy phát điện. Với hệ động lực hơi nước dưới tàu biển, hơi nước được cấp cho tua bin hơi để lai chân vịt tàu thủy. Hiện nay, ở những tàu sử dụng hệ động lực Diesel, khi mà động cơ Diesel là thiết bị động lực chính lai chân vịt tàu thủy thì nồi hơi được sử dụng như một thiết bị phụ phục vụ cho những mục đích như: hâm dầu, sấy không khí... Nói chung, nồi hơi là một trong những thiết bị năng lượng quan trọng dưới tàu thủy. Một kỹ sư khai thác máy tàu biển để có thể hoàn thành tốt 1 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng công việc thì cần phải hiểu và nắm vững nguyên lý hoạt động cũng như cách thức khai thác vận hành thiết bị này. “Nồi hơi tàu thủy” là giáo trình được biên soạn để phục vụ cho môn học “Nồi hơi – Tua bin hơi” trong chương trình đào tạo kỹ sư khai thác máy tàu biển của Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. Đây cũng là môn học chuyên ngành đầu tiên được giảng dạy vào năm thứ ba. Do đó, để giúp sinh viên tiếp cận kiến thức chuyên môn được tốt, nhóm tác giả gồm TS. Lê Văn Điểm và KS. Hoàng Anh Dũng đã biên soạn và xuất bản giáo trình này. Sách được trình bày một cách lô-gíc, dễ hiểu với nội dung được chia làm các chương mục rõ rệt. Để học tốt môn học này, sinh viên cần nắm vững kiến thức cơ sở chuyên ngành về nhiệt động học kỹ thuật và cần rèn luyện kỹ năng đọc bản vẽ kỹ thuật. Chúng tôi tin rằng cuốn sách sẽ là tài liệu bổ ích và đem lại hiệu quả cho việc học tập của sinh viên. Tuy nhiên, do lần đầu tiên xuất bản và do bản thân tác giả còn hạn chế về kinh nghiệm thực tế nên thiếu sót là điều không thể tránh khỏi. Trong quá trình sử dụng, chúng tôi mong nhận được và xin chân thành cảm ơn mọi ý kiến đóng góp của độc giả để sách ngày một hoàn thiện hơn. Tác giả 2 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng MỤC LỤC Chương 1. 1.1. Cơ sở nhiệt động hệ động lực hơi nước.....................................8 Nhắc lại những kiến thức cơ bản về hơi nước....................................8 1.1.1. Nước và hơi nước.........................................................................8 1.1.2. Đồ thị pha của nước .....................................................................9 1.1.3. Các quá trình chuyển pha của nước.............................................10 1.1.4. Độ khô và độ ẩm của hơi nước ...................................................12 1.2. Chu trình nhiệt động của thiết bị động lực hơi nước ........................12 1.2.1. Chu trình Carnot ........................................................................12 1.2.2. Chu trình Rankine ......................................................................14 1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chu trình Rankine................18 1.2.4. Chu trình hồi nhiệt và chu trình có quá nhiệt trung gian ..............21 1.3. Chương 2. Sử dụng năng lượng hơi nước dưới tàu thủy....................................25 Giới thiệu chung về nồi hơi tàu thủy.......................................26 2.1. Định nghĩa .....................................................................................26 2.2. Chức năng, nhiệm vụ của nồi hơi dưới tàu thủy...............................26 2.3. Phân loại nồi hơi tàu thủy ...............................................................27 2.3.1. Phân loại theo áp suất công tác ...................................................27 2.3.2. Phân theo sự chuyển động của khí cháy và nước.........................28 2.3.3. Phân theo nguồn năng lượng sử dụng .........................................28 2.3.4. Phân theo hình dáng và cách bố trí nồi hơi..................................29 2.3.5. Phân theo nguyên lý tuần hoàn ...................................................30 2.4. 2.4.1. Các thông số chính của nồi hơi tàu thủy..........................................31 Áp suất ......................................................................................31 3 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 2.4.2. Nhiệt độ.....................................................................................32 2.4.3. Sản lượng hơi.............................................................................32 2.4.4. Suất tiêu hao nhiên liệu ..............................................................33 2.4.5. Diện tích mặt hấp nhiệt...............................................................33 2.4.6. Dung tích buồng đốt...................................................................34 2.4.7. Nhiệt tải dung tích buồng đốt......................................................35 2.4.8. Lượng nước nồi..........................................................................35 2.4.9. Hiệu suất nồi hơi........................................................................36 2.5. Nguyên lý hoạt động của nồi hơi và hệ thống nồi hơi ......................37 2.5.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản của nồi hơi .....................................37 2.5.2. Quá trình sinh hơi trong nồi hơi..................................................38 2.5.3. Hệ thống nồi hơi ........................................................................40 2.6. Chương 3. 3.1. Yêu cầu đối với nồi hơi sử dụng dưới tàu thủy ................................43 Nhiên liệu và quá trình cháy trong nồi hơi ..............................46 Nhiên liệu dùng cho nồi hơi tàu thủy...............................................46 3.1.1. Thành phần dầu đốt nồi hơi ........................................................46 3.1.2. Các tính chất đặc trưng...............................................................47 3.1.3. Yêu cầu đối với nhiên liệu dùng cho nồi hơi tàu thuỷ..................49 3.2. Qúa trình cháy trong buồng đốt nồi hơi...........................................49 3.2.1. Các giai đoạn cháy nhiên liệu .....................................................49 3.2.2. Cháy hoàn toàn và không hoàn toàn............................................50 3.2.3. Hệ số không khí thừa α...............................................................52 3.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trong nồi hơi ...............54 3.2.5. Hiện tượng ăn mòn điểm sương và mục rỉ vanađi........................55 3.3. 3.3.1. Cân bằng nhiệt nồi hơi....................................................................57 Tổn thất nhiệt do khói lò q2 ........................................................57 4 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 3.3.2. Tổn thất hóa học q3 ....................................................................59 3.3.3. Tổn thất nhiệt ra ngoài trời q5 .....................................................60 Chương 4. Kết cấu nồi hơi tàu thủy .........................................................62 4.1. Nồi hơi phụ tàu thủy.......................................................................62 4.1.1. Nồi hơi hình trụ ống lửa nằm (Scotch boiler) ..............................62 4.1.2. Nồi hơi thẳng đứng ống lửa nằm (Cochran boiler)......................67 4.1.3. Nồi hơi thẳng đứng ống lửa đứng ...............................................69 4.1.4. Nồi hơi thẳng đứng ống nước đứng.............................................71 4.1.5. Nồi hơi tuần hoàn cưỡng bức......................................................75 4.2. Nồi hơi khí xả, nồi hơi liên hợp ......................................................77 4.2.1. Nồi hơi liên hợp ống lửa nằm (Cochran).....................................79 4.2.2. Nồi hơi liên hợp ống nước đứng .................................................82 4.2.3. Hệ thống liên hợp nồi hơi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả ..............84 Chương 5. Các thiết bị, hệ thống phục vụ nồi hơi.....................................88 5.1. Thiết bị buồng đốt ..........................................................................88 5.1.1. Hệ thống cung cấp không khí .....................................................89 5.1.2. Hệ thống nhiên liệu ....................................................................90 5.1.3. Thiết bị đánh lửa ......................................................................101 5.1.4. Tế bào quang điện (mắt thần) ...................................................102 5.1.5. Chương trình điều khiển thiết bị buồng đốt ...............................103 5.2. Thiết bị chỉ báo, cấp nước nồi.......................................................107 5.2.1. Thiết bị chỉ báo tại chỗ .............................................................108 5.2.2. Thiết bị chỉ báo mức nước từ xa ...............................................109 5.2.3. Hệ thống cung cấp nước nồi hơi ...............................................111 5.3. 5.3.1. Tự động điều khiển và điều chỉnh nồi hơi......................................115 Tự động điều khiển quá trình cháy............................................116 5 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 5.3.2. Tự động điều khiển hâm nhiên liệu...........................................118 5.3.3. Tự động giám sát và cấp nước nồi hơi.......................................120 5.4. Van an toàn ..................................................................................121 5.4.1. Van an toàn kiểu đẩy thẳng.......................................................121 5.4.2. Van an toàn hoạt động gián tiếp................................................125 5.5. Thiết bị gạn xả và thổi muội .........................................................126 5.5.1. Gạn mặt, xả đáy nồi hơi............................................................126 5.5.2. Thiết bị thổi muội.....................................................................128 5.6. Chương 6. 6.1. Hệ thống phân phối và tuần hoàn hơi ............................................128 Nước nồi hơi và xử lý nước nồi hơi ......................................131 Nước cấp nồi hơi..........................................................................131 6.1.1. Thành phần cáu cặn trong nước nồi hơi.....................................131 6.1.2. Tiêu chuẩn nước cấp nồi hơi.....................................................133 6.2. Ảnh hưởng của tạp chất đến sự hoạt động của nồi hơi ...................136 6.2.1. Cơ chế hình thành cáu cặn........................................................138 6.2.2. Cơ chế ăn mòn các bề mặt trao nhiệt.........................................139 6.2.3. Hiện tượng tạp chất và các hạt nước cuốn theo vào hơi .............144 6.3. Xử lý nước nồi .............................................................................146 6.3.1. Xử lý nước ngoài nồi hơi..........................................................146 6.3.2. Xử lý nước trong nồi hơi ..........................................................151 6.4. Hóa nghiệm nước nồi hơi .............................................................155 6.4.1. Kỹ thuật lấy mẫu thử và chuẩn bị dụng cụ.................................156 6.4.2. Các bài hoá nghiệm cơ bản.......................................................156 6.5. Các bài hoá nghiệm nưóc nồi hơi của hãng Unitor Chemicals........162 6.5.1. Kỹ thuật lấy mẫu thử và chuẩn bị dụng cụ.................................162 6.5.2. Xác định hàm lượng kiềm phenolthalein (P Alkalinity) .............163 6 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 6.5.3. Xác định độ pH........................................................................164 6.5.4. Xác định hàm lượng ion chloride (Cl-)......................................164 Chương 7. Khai thác và bảo dưỡng nồi hơi ............................................166 7.1. Vận hành nồi hơi ..........................................................................166 7.1.1. Chuẩn bị đốt nồi hơi.................................................................166 7.1.2. Đốt nồi hơi...............................................................................167 7.1.3. Tăng áp suất hơi.......................................................................169 7.1.4. Khai thác nồi hơi đang hoạt động .............................................171 7.1.5. Dừng nồi hơi............................................................................172 7.2. Một số hư hỏng thường gặp khi khai thác nồi hơi..........................172 7.2.1. Cạn nước nồi chưa nghiêm trọng ..............................................172 7.2.2. Cạn nước nồi nghiêm trọng ......................................................173 7.2.3. Hư hỏng các bề mặt trao đổi nhiệt.............................................174 7.2.4. Mức nước nồi hơi quá cao ........................................................175 7.2.5. Nồi hơi bị tắt............................................................................175 7.3. Bảo dưỡng nồi hơi tàu thủy...........................................................176 7.3.1. Vệ sinh nồi hơi.........................................................................176 7.3.2. Tẩy rửa cáu cặn nồi hơi ............................................................178 7.3.3. Thử thủy lực nồi hơi.................................................................179 7 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Chương 1. 1.1. Cơ sở nhiệt động hệ động lực hơi nước Nhắc lại những kiến thức cơ bản về hơi nước 1.1.1. Nước và hơi nước Nước (water) là một hợp chất hóa học của ôxy và hiđrô, có công thức hóa học là H2O. Với các tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ như tính lưỡng cực, liên kết hiđrô và tính bất thường của khối lượng riêng) nước là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoa học và trong đời sống. 70% diện tích của Trái Đất được nước che phủ nhưng chỉ 0,3% tổng lượng nước trên Trái Đất nằm trong các nguồn có thể khai thác dùng làm nước uống. Hơi nước (steam) là công chất nhận được từ nước do hiện tượng bay hơi trên bề mặt của nước. Hơi nước là một loại khí thực. Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường hơi nước đã rất gần với trạng thái bão hoà. Ở trong các thiết bị nhiệt với diều kiện áp suất cao, nhiệt độ thấp, hơi nước gần với thể lỏng. Do đó trong hơi nước, không thể bỏ qua lực tương tác giữa các phân tử và thể tích riêng của chúng. Hơi nước tuân theo các phương trình trạng thái khí thực như phương trình Van Der Walls. (1-1) Trong đó, a và b là các hệ số phụ thuộc vào bản chất chất khí. 8 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Lỏng lỏng i nh x= 0 ệt Rắn+ uá iq Hơ Rắ n 1.1.2. Đồ thị pha của nước 1 x= Hình 1.1. Các trạng thái của hơi nước trên đồ thị p-v và T-s. 9 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Nước nói chung có thể tồn tại ở ba thể: thể rắn (solid), thể lỏng (liquid) và thể hơi (vapor). Nước ở thể lỏng được hiểu là trạng thái nước chưa sôi (compressed water) còn nước ở thể hơi được hiểu là trạng thái hơi quá nhiệt (superheated vapor). Đó là những trạng thái một pha cân bằng. Tùy theo điều kiện nhiệt độ và áp suất, nước còn có thể ở các trạng thái hai pha (trạng thái cân bằng động) như nước bão hòa (nước sôi), hơi bão hòa... Những trạng thái này không bền và có xu hướng chuyển sang trang thái cân bằng. Nước bão hòa (saturated water): là nước đã đạt đến trạng thái nhiệt độ và áp suất bão hòa, lúc này quá trình hóa hơi bắt đầu diễn ra. Nước tồn tại ở cả hai pha lỏng và hơi nhưng thành phần lỏng chiếm đa số. Hơi bão hòa (saturated steam): là hơi ở trạng thái nhiệt độ và áp suất bão hòa. Giống như trạng thái nước bão hòa, hơi bão hòa gồm hai thành phần lỏng và hơi nhưng thành phần hơi chiếm đa số. Hơi bão hòa có thể ở trạng thái bão hòa chưa hoàn toàn, gọi là hơi bão hòa ẩm hoặc trạng thái bão hòa hoàn toàn, gọi là hơi bão hòa khô. Hơi bão hòa ẩm (liquid-vapor): là hơi bão hòa mà còn chứa các hạt lỏng nhỏ li ti chưa kịp bay hơi hết. Hơi bão hòa khô (saturated vapor): là hơi bão hòa mà không còn chứa thành phần lỏng nào. 1.1.3. Các quá trình chuyển pha của nước Hóa hơi (vaporization): là quá trình nước chuyển từ pha lỏng sang pha hơi khi được cấp nhiệt. Nhiệt lượng này được gọi là nhiệt ẩn hóa hơi. Bay hơi (evaporation): là quá trình hoá hơi tự nhiên xảy ra trên bề mặt thoáng của nước ở bất cứ nhiệt độ nào. Hiện tượng bay hơi là do những phần tử nước ở gần bề mặt thoáng có tốc độ lớn, do đó có động năng chuyển động lớn hơn các phần tử 10 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng khác, khắc phục được lực tương tác giữa các phần tử, thắng được lực căng của bề mặt chất lỏng để tách ra và bay vào không khí. Cường độ bay hơi phụ thuộc vào nhiệt độ và diện tích mặt thoáng. Sôi (boiling): khi cung cấp nhiệt lượng cho nước, nhiệt độ của nước tăng cao, cường độ bay hơi tăng. Đến một nhiệt độ nào đó hiện tượng hoá hơi xảy ra trong lòng chất lỏng tạo lên các bọt hơi nước. Các bong bóng hơi này đi lên, lớn dần và được tạo thành trong toàn bộ thể tích nước. Ta gọi đó là sự sôi. Quá trình sôi diễn ra tại áp suất và nhiệt độ không đổi. Nhiệt độ ứng với trạng thái sôi gọi là nhiệt độ sôi ts (boiling point). Ngưng tụ (condensation): quá trình ngược lại với quá trình hoá hơi gọi là quá trình ngưng tụ, hơi nước biến thành nước và nhả nhiệt. Quá trình ngưng tụ cũng diễn ra tại áp suất và nhiệt độ không thay đổi. Nóng chảy (melting): là quá trình nước chuyển từ pha rắn (nước đá) sang pha lỏng khi được cấp nhiệt lượng. Đông đặc (solidification): là quá trình ngược lại với quá trình nóng chảy, tức là nước từ pha lỏng chuyển sang pha rắn và nhả nhiệt. Thăng hoa (sublimation): là quá trình nước chuyển trực tiếp từ pha rắn sang pha hơi. Quá trình này chỉ diễn ra tại áp suất và nhiệt độ rất cao hoặc khi nhiệt lượng cấp là vô cùng lớn. Ngưng kết (crystallization): là quá trình ngược lại với quá trình thăng hoa, tức là nước từ pha hơi chuyển trực tiếp sang pha rắn và nhả nhiệt. 11 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 1.1.4. Độ khô và độ ẩm của hơi nước Ngoài các thông số cơ bản của công chất như: nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng, enthalpy, entropy... hơi nước còn có thông số độ khô và độ ẩm. Độ khô (dryness): là tỷ số giữa khối lượng của phần hơi bão hòa khô trong hơi bão hòa ẩm và khối lượng hơi bão hòa ẩm. Ký hiệu x. (1-2) Trong đó: Gh là khối lượng hơi khô trong ẩm; Gn là khối lượng của nước trong hơi ẩm. Nước sôi có x = 0; hơi ẩm có 0 < x < 1 và hơi khô có x = 1. Độ ẩm (humidity): là tỷ số giữa khối lượng của phần nước trong hơi bão hòa ẩm và khối lượng hơi bão hòa ẩm. Ký hiệu y. (1-3) 1.2. Chu trình nhiệt động của thiết bị động lực hơi nước 1.2.1. Chu trình Carnot Chu trình Carnot của thiết bị động lực hơi nước là chu trình lý tưởng gồm có hai quá trình đẳng nhiệt và hai quá trình đoạn nhiệt xen kẽ nhau. Đồ thị nhiệt động của chu trình được thể hiện như Hình 1.2. Các quá trình nhiệt động trong chu trình gồm có: 1. Quá trình 1-2: Dãn nở đoạn nhiệt, hơi từ nồi hơi sinh ra được cấp vào tua bin và giãn nở sinh công trong tua bin. 12 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 2. Quá trình 2-3: Ngưng tụ đẳng áp, hơi nước sau khi giãn nở sinh công trong tua bin sẽ đi về bầu ngưng để ngưng tụ thành nước, nhiệt lượng q2 thải của hơi được trao cho công chất làm mát. 3. Quá trình 3-4: Nén đoạn nhiệt, nước ngưng tụ được bơm nén đoạn nhiệt để cấp trở lại nồi hơi. 4. Quá trình 4-1: Hóa hơi đẳng áp, nước được đun sôi, nhận nhiệt lượng q1 từ quá trình cháy trong nồi hơi để hóa thành hơi tiếp tục một chu trình sinh công mới. p K 4' 1 4 3' 1 2 x= 3 0 x= v T K 4 1 3 2 4' x= 0 3' x= 1 s Hình 1.2. Chu trình Carnot của thiết bị động lực hơi nước. 13 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Trên đồ thị, thực chất trạng thái của hơi nước ở điểm 3 là trạng thái hơi bão hòa ẩm, hay nói cách khác, một phần hơi vẫn chưa ngưng tụ thành nước. Chu trình 123’4’ là chu trình ứng với trường hợp ngưng tụ hoàn toàn (toàn bộ hơi ngưng tụ thành nước). Nhiệt lượng cấp, nhiệt lượng thải và hiệu suất nhiệt của chu trình được xác định như sau: Nhiệt cấp: là nhiệt ẩn hóa hơi (kJ/kg). Nhiệt thải: là nhiệt ẩn ngưng tụ (kJ/kg). Công có ích: (1-4) Hiệu suất nhiệt: (1-5) Hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot là lớn nhất trong tất cả các chu trình thiết bị động lực hơi nước. Tuy nhiên, chu trình Carnot chỉ là chu trình lý thuyết lý tưởng, không được dùng trong thực tế. Sau đây, chúng ta sẽ nghiên cứu chu trình Rankine – chu trình đơn giản nhất của thiết bị động lực hơi nước được áp dụng rộng rãi trong thực tế. 1.2.2. Chu trình Rankine Sơ đồ nguyên lý và đồ thị nhiệt động của chu trình Rankine được thể hiện như trên Hình 1.3. 14 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị nhiệt động của chu trình Rankine. Các quá trình nhiệt động trong chu trình gồm có: 1. Quá trình 1-2: Dãn nở đoạn nhiệt (adiabatic expansion), hơi quá nhiệt được cấp vào tua bin và giãn nở sinh công trong tua bin. 2. Quá trình 2-3: Ngưng tụ đẳng áp (constant pressure condensation), hơi nước sau khi giãn nở sinh công trong tua bin sẽ đi về bầu ngưng để ngưng tụ thành nước, nhiệt lượng q2 thải của hơi được trao cho công chất làm mát. 15 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 3. Quá trình 3-4: Nén đoạn nhiệt (adiabatic compression), nước ngưng tụ được bơm nén đoạn nhiệt để cấp trở lại nồi hơi. 4. Quá trình 4-5: Cấp nhiệt đẳng áp (constant pressure heating), nước được đun nóng đến nhiệt độ sôi trong nồi hơi bằng nguồn nhiệt từ phản ứng cháy nhiên liệu diễn ra trong nồi hơi. 5. Quá trình 5-6: Hóa hơi đẳng áp (constant pressure evaporation), quá trình cấp nhiệt vẫn tiếp diễn, nước sôi và bay hơi trong nồi hơi. 6. Quá trình 6-1: Quá nhiệt đẳng áp (constant pressure superheating), hơi nước được đưa vào bộ quá nhiệt, hay còn gọi là bộ sấy hơi, nhận thêm nhiệt lượng để biến thành hơi quá nhiệt. Các thông số cơ bản của chu trình được xác định như sau: Nhiệt cấp: bao gồm nhiệt đun nóng qn, nhiệt hóa hơi r và nhiệt quá nhiệt qh. Nhiệt thải: Công có ích: (1-6) Ở đây, công có ích là hiệu số giữa công sinh ra từ tua bin ltb và công tiêu tốn cho bơm lb. Tuy nhiên, công bơm thường rất nhỏ, có thể bỏ qua. Hiệu suất nhiệt: (1-7) 16 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng h gọi là nhiệt giáng lý thuyết đoạn nhiệt. Suất tiêu hao hơi: Là lượng hơi cần thiết để sinh ra một đơn vị công. (1-8) Chu trình Rankine nói trên là loại chu trình kín. Hệ động lực hơi nước còn có thể làm việc theo chu trình hở. Chu trình hở khác với chu trình kín ở chỗ: hơi sau khi công tác trong tua bin sẽ được xả trực tiếp ra ngoài khí quyển. Như vậy, ở chu trình hở, bầu ngưng không được sử dụng (không có quá trình ngưng tụ đẳng áp) và nước cấp cho nồi hơi chỉ được bơm từ két chứa. Hình 1.4 là sơ đồ nguyên lý của chu trình hở. x= 1 Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị nhiệt động của chu trình hở. Hệ động lực hơi nước làm việc với chu trình hở chỉ được sử dụng trong những ứng dụng nhỏ hoặc khi thông số hơi thấp. So với chu trình hở thì chu trình kín có nhiều ưu điểm hơn hẳn như: hiệu suất lớn hơn; có khả năng tận dụng lại hơi nước sau khi công tác (điều này đặc biệt quan trọng ở dưới tàu vì nếu chu trình hở được sử dụng thì phải có một 17 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng lượng dự trữ nước khá lớn, làm giảm tải trọng có ích của con tàu). Do đó, ở dưới tàu thủy, chỉ có hệ động lực hơi nước làm việc theo chu trình kín được áp dụng. 1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chu trình Rankine a) Áp suất ban đầu (áp suất hơi vào tua bin) Hình 1.5. Ảnh hưởng của áp suất ban đầu. Tăng áp suất ban đầu p1 mà nhiệt độ đầu T1 và áp suất sau p2 không đổi thì có những ưu điểm sau: Nhiệt độ sôi ts và nhiệt độ trung bình của quá trình cấp nhiệt tăng làm cho hiệu suất nhiệt của chu trình tăng. vùng p1 < 90bar; tăng nhanh ở tăng chậm ở vùng p1 > 90bar vì ở vùng này 18 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng nhiệt độ trung bình tăng chậm. Áp suất đầu p1 có thể lên đến 300bar. Thể tích riêng của hơi giảm. Điều này có ý nghĩa trong việc chế tạo thiết bị vì khi đó thiết bị có kích cỡ nhỏ gọn hơn, chi phí giá thành vật tư chế tạo cũng giảm theo. Tuy nhiên, áp suất đầu tăng lại dẫn tới nhược điểm là: Độ khô của hơi ở cuối quá trình giãn nở giảm làm cho độ ẩm tăng lên, có nhiều hạt nước chuyển động lớn ở tầng cánh cuối của tua bin, gây ra mài mòn, ăn mòn các tầng cánh cuối của tua bin hơi. Áp suất hơi cao đòi hỏi phải chế tạo các bộ phận sinh hơi, bộ sấy hơi bằng các vật liệu có độ bền cao, chịu áp lực tốt, đắt tiền. b) Nhiệt độ ban đầu (nhiệt độ hơi vào tua bin) Khi nhiệt độ ban đầu T1 tăng, áp suất đầu p1 và áp suất cuối p2 không đổi thì hiệu suất nhiệt tăng (do nhiệt độ trung bình của quá trình cấp nhiệt tăng). Nhiệt độ đầu có thể được tăng bằng cách tăng nhiệt độ hơi quá nhiệt, đây là phương pháp được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật. Nhiệt độ hơi quá nhiệt có thể tăng lên đến 550÷600oC. 19 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hình 1.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu. Tuy nhiên, nhiệt độ hơi quá nhiệt quá cao sẽ ảnh hưởng đến khả năng làm việc lâu dài của tua bin hơi. Muốn đảm bảo tuổi thọ của thiết bị thì vật liệu chế tạo cũng phải có độ bền cao, đắt tiền. c) Áp suất cuối (áp suất hơi ra khỏi tua bin) Khi áp suất cuối p2 giảm, áp suất đầu p1.và nhiệt độ đầu T1 không đổi thì nhiệt độ cuối T2 giảm làm cho nhiệt độ trung bình của quá trình thải nhiệt giảm, do đó hiệu suất nhiệt của chu trình tăng (nhiệt cấp tăng ít và nhiệt thải giảm nhiều). Nếu áp suất cuối p2 giảm 0,01÷0,03bar thì hiệu suất nhiệt tăng 0,396÷0,427%. Hình 1.7. Ảnh hưởng của áp suất cuối. 20 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Việc giảm áp suất cuối bị hạn chế bởi nhiệt độ bão hoà tương ứng do phải duy trì nhiệt độ này không nhỏ hơn nhiệt độ môi trường thì hơi nước mới có thể ngưng tụ được trong bầu ngưng. Nếu áp suất cuối p2 quá thấp, độ khô của hơi giảm thì tốc độ hơi ở phần sau của tua bin lớn gây ra ăn mòn, xói mòn các tầng cánh cuối. 1.2.4. Chu trình hồi nhiệt và chu trình có quá nhiệt trung gian Như đã trình bày, chu trình Rankine là chu trình cơ bản nhất của thiết bị động lực hơi nước. Để tăng cường hiệu quả làm việc của hệ động lực, giảm kích cỡ các thiết bị và tăng hiệu suất nhiệt của chu trình, người ta sử dụng chu trình hồi nhiệt (regenerative Rankine cycle) và chu trình có quá nhiệt trung gian (reheat Rankine cycle). 21 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng a) Chu trình hồi nhiệt Hình 1.8. Chu trình hồi nhiệt một lần. So với chu trình Rankine cơ bản, chu trình hồi nhiệt có những thay đổi sau đây: Tua bin được chia làm nhiều cấp (ví dụ 2 cấp). Hệ thống được bố trí bình hòa trộn có chức năng tương tự như một thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó nước cấp là chất nhận nhiệt, hơi nước là chất trao nhiệt. 22 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hơi ra khỏi tua bin cấp 1 một phần được đưa vào bình hòa trộn để gia nhiệt cho nước cấp nồi, phần còn lại được cấp vào tua bin cấp 2 để tiếp tục sinh công. Như vậy, nếu như ở chu trình Rankine cơ bản, toàn bộ nhiệt của hơi ra khỏi tua bin được nhả ra ngoài tại bầu ngưng thì ở chu trình hồi nhiệt, một phần nhiệt lượng đó được tận dụng để hâm nóng sơ bộ nước cấp nồi. Nghĩa là một phần nhiệt thải q2 được bổ sung vào nhiệt cấp q1. Do đó, hiệu suất nhiệt của toàn bộ hệ động lực được cải thiện. Chu trình hồi nhiệt có thể có một lần hồi nhiệt (Hình 1.8) hoặc nhiều lần hồi nhiệt (kích cỡ hệ động lực và số lượng trang thiết bị tương ứng sẽ tăng lên). Với chu trình hồi nhiệt ở Hình 1.8, bình hòa trộn đóng vai trò như một bầu ngưng trung gian. Trên đồ thị T-s, quá trình ab được gọi là quá trình hồi nhiệt. Thực chất quá trình này chính là quá trình ngưng tụ đẳng áp diễn ra trong bình hòa trộn nhưng nhiệt lượng nhả ra được tận dụng để cấp cho nước. b) Chu trình có quá nhiệt trung gian Muốn tăng hiệu suất nhiệt của chu trình thì cần tăng áp suất đầu p1, nhiệt độ đầu T1 và giảm áp suất cuối p2. Tuy nhiên, những biện pháp đó đều làm cho độ khô của hơi ở trạng thái 2 giảm, độ ẩm tăng dẫn đến những ảnh hưởng có hại đối với thiết bị. Để đảm bảo độ khô của hơi cuối tua bin không giảm, người ta sử dụng chu trình có quá nhiệt trung gian. Chu trình này sử dụng tua bin nhiều cấp giống như chu trình hồi nhiệt. Ở đây, ta giả sử tua bin hơi là tua bin 2 cấp. Hơi sau khi ra khỏi tua bin cấp 1 sẽ được đưa trở lại bộ quá nhiệt trước khi đi vào tua bin cấp 2 để tiếp tục sinh công. Trên đồ thị T-s, quá trình 1a là quá trình dãn nở sinh công trong tua bin cấp 1, quá trình ab là quá trình quá nhiệt trung gian 23 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng trong bộ quá nhiệt, quá trình b2 là quá trình dãn nở sinh công của hơi đã được quá nhiệt lần thứ hai trong tua bin cấp 2. Hình 1.9. Chu trình có quá nhiệt trung gian. Như vậy, nếu như ở chu trình Rankine cơ bản, trạng thái hơi sau khi công tác là điểm 2’ thì ở chu trình có quá nhiệt trung gian, trạng thái hơi sau khi công tác là điểm 2 có độ khô lớn hơn. Do đó, sử dụng chu trình có quá nhiệt trung gian sẽ khắc phục được vấn đề độ khô của hơi 24 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng ở cuối tua bin, qua đó cải thiện hiệu quả làm việc của thiết bị, nâng cao hiệu suất nhiệt của toàn bộ hệ động lực. Với những hệ động lực hơi nước cỡ lớn, hơi nước có thể được quá nhiệt trung gian nhiều lần. Nếu chu trình hồi nhiệt được sử dụng thì quá trình hồi nhiệt cũng được thực hiện nhiều lần. Trên thực tế, với hệ động lực hơi nước trên bờ dùng cho các nhà máy điện nguyên tử thì người ta thường áp dụng chu trình kết hợp, nghĩa là có cả quá trình hồi nhiệt và quá nhiệt trung gian. 1.3. Sử dụng năng lượng hơi nước dưới tàu thủy Hơi nước được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật. Thế giới đã được chứng kiến một lịch sử dài về sự phát triển và ứng dụng hơi nước trong công nghiệp cũng như đời sống. Trong lịch sử phát triển của ngành kỹ thuật hàng hải, hơi nước cũng có vai trò không nhỏ với nhiều cột mốc phát triển đáng chú ý. Năm 1802, William Symington một kỹ sư người Scotland đã chế tạo thành công chiếc thuyền chạy bằng động cơ hơi nước đầu tiên, đó là chiếc Charlotte Dundas. Năm 1884, kỹ sư người Anh Parsons đã chế tạo thành công chiếc tua bin hơi nước đầu tiên có thể ứng dụng làm hệ động lực tàu thủy, nhưng đến năm 1894 công trình này mới được thử nghiệm thực tế trên con tàu Turbinia. Hơi nước dùng cho động cơ hơi nước và tua bin hơi đều được sinh ra từ một thiết bị sinh hơi gọi là nồi hơi. Ngày nay, hầu hết đội tàu trên thế giới không còn sử dụng hai loại hệ động lực nói trên nữa nhưng hơi nước thì vẫn được sử dụng rộng rãi, chủ yếu làm công chất trao đổi nhiệt phục vụ nhu cầu hâm, sấy ở dưới tàu. 25 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Chương 2. 2.1. Giới thiệu chung về nồi hơi tàu thủy Định nghĩa Một cách tổng quát, nồi hơi (steam boiler) là một thiết bị có chức năng biến nước thành hơi nhờ nhiệt năng có được từ việc đốt cháy nhiên liệu hoặc biến đổi từ các nguồn năng lượng khác như điện năng, năng lượng nguyên tử... Về mặt nguyên lý, nồi hơi hoạt động tương tự như một thiết bị trao đổi nhiệt, trong đó diễn ra quá trình trao đổi nhiệt giữa hai loại môi chất là khí cháy và nước. Mục đích của quá trình trao đổi nhiệt trong nồi hơi là nhằm bay hơi nước, hơi sinh ra có áp suất và nhiệt độ cao để đem đi sử dụng. Kết cấu của nồi hơi phức tạp hơn nhiều so với các thiết bị trao đổi nhiệt do được lắp thêm nhiều thiết bị phục vụ. Nhiên liệu hay chất đốt dùng cho nồi hơi có thể là than, dầu hoặc khí đốt. Tất cả nồi hơi sử dụng dưới tàu thủy đều là nồi hơi đốt dầu. Do đó, trong khuôn khổ cuốn sách, chúng ta chỉ nghiên cứu về nồi hơi đốt dầu, kết cấu, nguyên lý hoạt động cũng như cách thức khai thác vận hành loại nồi hơi này. 2.2. Chức năng, nhiệm vụ của nồi hơi dưới tàu thủy Nồi hơi tàu thủy nói chung có thể được dùng để sinh hơi phục vụ các mục đích như lai máy phát điện, lai các máy phụ, dùng để hâm sấy nhiên liệu, phòng ở hoặc dùng cho động cơ tua bin hơi lai chân vịt. Vào những năm giữa thế kỷ 20 rất nhiều tàu thủy được trang bị tua bin hơi làm động lực chính lai chân vịt, khi đó nồi hơi chính và tua bin hơi chính lai chân vịt là hai thiết bị trung tâm trong hệ động lực hơi nước tàu thủy. Tuy nhiên, các cuộc khủng hoảng dầu mỏ (từ năm 1973) đã đẩy giá dầu trên thế giới lên rất cao. Điều này khiến các nhà sản suất buộc phải cải tiến công nghệ và thay thế công nghệ cũ bằng các thiết bị 26 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng công nghệ mới có hiệu suất cao hơn. Vì vậy hầu hết các tàu thủy gần đây đều được trang bị hệ động lực Diesel, có hiệu suất cao hơn. Trên các tàu thủy hiện nay hầu như chỉ còn sử dụng các nồi hơi phụ, dùng để cung cấp hơi cho mục đích hâm sấy nhiêu liệu và các mục đích sinh hoạt khác, một số cung cấp hơi cho tua bin hơi lai máy phát điện, bơm hoặc các máy phụ khác. Ngoại trừ một số loại tàu đặc thù như tàu chở khí tự nhiên hoá lỏng (LNG Carrier) thì hệ động lực tua bin hơi vẫn được áp dụng. 2.3. Phân loại nồi hơi tàu thủy Chủng loại nồi hơi tàu thủy rất phong phú, đa dạng. Những năm gần đây, giá nhiên liệu thế giới tăng cao đòi hỏi các nhà sản xuất phải tích cực nghiên cứu, cải tiến công nghệ để cạnh tranh trên thị trường. Nhờ vậy mà có rất nhiều mẫu mã nồi hơi được thiết kế, chế tạo thoả mãn các tiêu chí như: tiết kiệm nhiên liệu, tốn ít nhân công khai thác, giảm diện tích, không gian bố trí, giảm mức độ ô nhiễm môi trường. Tuỳ theo mục đích, nồi hơi tàu thủy có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Dưới đây trình bày một số cách phân loại cơ bản. 2.3.1. Phân loại theo áp suất công tác Nồi hơi thấp áp (low pressure boiler): có áp suất làm việc đến 2MPa (1MPa = 10bar = 9.81kG/cm2). Hầu hết nồi hơi thấp áp là các nồi hơi phụ, cung cấp hơi cho việc hâm sấy nhiên liệu hay lai các thiết bị phụ dưới tàu. Nồi hơi trung áp (high pressure boiler): có áp suất làm việc khoảng 2÷4,5MPa. Nồi hơi cao áp (power boiler): có áp suất làm việc trên 4,5MPa. 27 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Nồi hơi trung và cao áp thường là các nồi hơi chính, sản suất hơi quá nhiệt có thông số cao, cung cấp cho tua bin hơi lai chân vịt. 2.3.2. Phân theo sự chuyển động của khí cháy và nước Nồi hơi ống nước (water tube boiler): nước đi trong ống, khí lò quét ngoài ống. Nồi hơi ống lửa (fire tube boiler): nước bao quanh bên ngoài ống, khí lò đi trong ống. Nồi hơi hỗn hợp ống nước ống lửa (composite-tube boiler): kết hợp giữa hai loại trên, có vùng là ống nước, vùng khác là ống lửa. Tuy nhiên loại nồi hơi này ít được ứng dụng do cấu tạo phức tạp. Hình 2.1. Nồi hơi ống nước và nồi hơi ống lửa. 2.3.3. Phân theo nguồn năng lượng sử dụng Nồi hơi sử dụng năng lượng từ phản ứng cháy nhiên liệu: nhiên liệu dùng cho nồi hơi có thể là than, dầu và khí đốt. Có loại nồi hơi sử dụng đồng thời hai loại nhiên liệu để đốt, ví dụ như nồi hơi đốt dầu - khí. Dưới tàu thủy, chỉ có nồi hơi đốt dầu (oilfired boiler) được sử dụng. 28 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Nồi hơi sử dụng năng lượng điện (electric boiler): nhiệt cấp cho nồi hơi được biến đổi từ điện năng. Loại nồi hơi này có công suất nhỏ, chủ yếu phục vụ sinh hoạt của thuyền viên trên tàu. Nồi hơi sử dụng năng lượng nguyên tử (nuclear boiler): nhiệt cấp cho nồi hơi sinh ra từ phản ứng hạt nhân. Loại nồi hơi này thường được sử dụng cho tàu quân sự, đặc biệt là tàu ngầm. Nồi hơi sử dụng năng lượng từ khí xả của các máy nhiệt (exhaust gas boiler, economizer): nồi hơi loại này tận dụng năng lượng nhiệt từ khí xả của động cơ Diesel chính, của động cơ Diesel lai máy phát điện hoặc của tua bin khí để sinh hơi. Hơi sinh ra từ nồi hơi khí xả (hay còn gọi là nồi hơi kinh tế) chủ yếu dùng để phục vụ nhu cầu hâm sấy nhiên liệu và các nhu cầu sinh hoạt khác trên tàu. Tàu thủy cũng có thể được trang bị các tua bin phụ, được cung cấp hơi bởi nồi hơi khí xả, nồi hơi liên hợp, đặc biệt là đối với các tàu hàng rời, tàu dầu cỡ lớn (có trọng tải từ vài vạn đến vài chục vạn tấn). Nồi hơi loại này có thể được chế tạo chung thân với nồi hơi phụ và được gọi là nồi hơi liên hợp phụ - khí xả (composite boiler), hiện đang được sử dụng rộng rãi dưới tàu biển. 2.3.4. Phân theo hình dáng và cách bố trí nồi hơi Nồi hơi nằm ngang (horizontal boiler): có chiều ngang lớn hơn chiều cao. Nồi hơi thẳng đứng (vertical boiler): có chiều cao lớn hơn rất nhiều so với chiều ngang. Loại nồi hơi này ngày càng được ứng dụng rộng rãi dưới tàu thủy do thuận lợi khi bố trí dưới tàu thủy, nơi có không gian chật hẹp, đặc biệt các nồi hơi liên hợp 29 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng phụ - khí xả thường là loại thẳng đứng, rất thuận tiện cho việc lắp đặt trên phần ống khói (funnel) của thượng tầng tàu. Hình 2.2. Nồi hơi đặt nằm và nồi hơi đặt đứng. 2.3.5. Phân theo nguyên lý tuần hoàn Nồi hơi tuần hoàn tự nhiên (natural circulating boiler): nước và hơi nước trong nồi hơi tuần hoàn tự nhiên do chênh lệch tỷ trọng của nước và hơi giữa các vùng khác nhau. Hầu hết các nồi hơi tàu thủy đều sử dụng tuần hoàn tự nhiên vì lý do đơn giản, dễ chế tạo và giá thành rẻ. Nồi hơi tuần hoàn cưỡng bức (forced circulating boiler): nước và hơi trong nồi hơi tuần hoàn cưỡng bức nhờ bơm tuần hoàn. Loại nồi hơi này có cường độ trao đổi nhiệt cao hơn, nên kích thước thường nhỏ gọn hơn. Tuy nhiên cần phải trang bị các bơm tuần hoàn hoạt động liên tục trong môi trường nhiệt độ, áp suất cao. Nồi hơi không tuần hoàn (non-circulating boiler): loại nồi hơi này không có vòng tuần hoàn của nước, có kết cấu đơn giản 30 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng nhất. Nồi hơi ống lửa cũng là nồi hơi không tuần hoàn do nước được chứa toàn bộ trong bầu nồi. Hình 2.3. Nồi hơi tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức và nồi hơi không tuần hoàn. 2.4. Các thông số chính của nồi hơi tàu thủy 2.4.1. Áp suất Đối với nồi hơi tàu thủy, các thông số áp suất (pressure) cần quan tâm gồm có: áp suất nồi hơi (áp suất làm việc), áp suất hơi sấy, áp suất hơi giảm sấy và áp suất nước cấp. Đơn vị đo thường được sử dụng đối với các loại áp suất này là kG/cm2 hoặc bar. 1 kG/cm2 = 1at = 0,981bar. Áp suất nồi hơi pN là áp suất của nước và hơi bão hòa chứa trong thân (bầu) nồi hơi. Áp suất hơi sấy phs là áp suất của hơi ra khỏi bộ sấy hơi (bộ quá nhiệt). Áp suất hơi sấy thấp hơn áp suất pN trong nồi hơi khoảng 14kG/cm2. 31 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Áp suất hơi giảm sấy pgs là áp suất của hơi sau khi ra khỏi bộ giảm sấy. Áp suất hơi giảm sấy thấp hơn áp suất hơi sấy. Áp suất nước cấp pnc là áp suất của nước được bơm cấp vào nồi hơi. Để nước có thể được nén vào nồi hơi, áp suất nước cấp phải cao hơn áp suất pN 36kG/cm2 để thắng được sức cản trên đường ống cấp nước, tại bầu hâm nước cấp nồi, tại bầu hâm nước tiết kiệm... 2.4.2. Nhiệt độ Các thông số nhiệt độ (temperature) đối với nồi hơi tàu thủy gồm có: nhiệt độ hơi sấy, nhiệt độ hơi bão hòa, nhiệt độ nước cấp, nhiệt độ khói, nhiệt độ không khí cấp. Nhiệt độ hơi sấy ths là nhiệt độ của hơi quá nhiệt ra khỏi bộ sấy hơi. Nhiệt độ hơi bão hòa tS là nhiệt độ của hơi bão hòa trong thân (bầu) nồi. Nhiệt độ nước cấp tnc là nhiệt độ của nước được bơm cấp vào nồi, đây là giá trị áp suất được đo trước bộ tận dụng nhiệt hâm nước. Nhiệt độ khói kl là nhiệt độ của khí lò ra khỏi nồi hơi, đo tại vị trí khí lò đi vào ống khói. Nhiệt độ không khí cấp kk là nhiệt độ của không khí được cấp vào trong buồng đốt để thông gió cũng như duy trì quá trình cháy. 2.4.3. Sản lượng hơi Sản lượng hơi (steam output) là lượng hơi lớn nhất sinh ra trong một đơn vị thời gian dưới điều kiện nồi hơi cung cấp hơi nước ổn định lâu 32 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng dài. Sản lượng hơi ký hiệu là D, có thể được đo bằng kg/h hoặc t/h (tấn/giờ). Sản lượng hơi chung DN là tổng của sản lượng hơi sấy Dhs, sản lượng hơi giảm sấy Dgs và sản lượng hơi bão hòa Dx. DN = Dhs + Dgs + Dx (kg/h) (2-1) Chú ý rằng Dx là lượng hơi bão hòa cung cấp cho máy phụ và hệ thống (chứ không phải là lượng hơi bão hòa sinh ra trong bầu nồi), ta gọi là tải của nồi hơi. Khi cần thiết, nồi hơi có thể quá tải đến sản lượng lớn nhất Dmax trong một số giờ qui định: Dmax = 125140%DN (2-2) 2.4.4. Suất tiêu hao nhiên liệu Suất tiêu hao nhiên liệu (specific fuel consumption) là lượng nhiên liệu cần tiêu thụ để hệ động lực phát ra một mã lực có ích trong một giờ. Ký hiệu ge, đơn vị là kg/mlcih hoặc g/mlcih. Ví dụ: nồi hơi đốt dầu có pN = 100120kG/cm2, ts = 550oC thì ge = 200210g/mlcih. 2.4.5. Diện tích mặt hấp nhiệt Diện tích mặt hấp nhiệt (heating surface) là tổng diện tích của các bề mặt kim loại (vách ống, ống nước sôi, ống hâm nước tiết kiệm, ống sấy hơi, ống sưởi không khí, ống lửa, hộp lửa, buồng đốt) tiếp xúc một phía với khí lò và phía còn lại với nước. Quá trình truyền nhiệt giữa khí lò và nước diễn ra thông qua các mặt hấp nhiệt. Diện tích mặt hấp nhiệt ký hiệu là H, đơn vị là m2. H được tính về phía tiếp xúc với khí lò. Riêng đối với bộ sưởi không khí và bộ giảm sấy thì tính theo đường kính trung bình của ống. Các mặt hấp nhiệt trong nồi hơi gồm có: 33 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Mặt hấp nhiệt bức xạ Hb: là mặt hấp nhiệt cạnh buồng đốt, trực tiếp tiếp xúc với ngọn lửa. Ở đây hình thức trao nhiệt chủ yếu là bức xạ nhiệt. Mặt hấp nhiệt đối lưu Hđl: là mặt hấp nhiệt ở xa buồng đốt và được khí lò quét qua. Hình thức trao nhiệt chính ở đây là tỏa nhiệt đối lưu. Mặt hấp nhiệt bốc hơi Hbh: là bề mặt hấp nhiệt của khí lò làm cho nước sôi và bốc hơi, bao gồm mặt hấp nhiệt của vách ống và ống nước sôi. Mặt hấp nhiệt tiết kiệm Htk: là bề mặt hấp nhiệt của các thiết bị tận dụng nhiệt như bộ tận dụng nhiệt hâm nước và bộ tận dụng nhiệt sấy không khí. 2.4.6. Dung tích buồng đốt Dung tích buồng đốt (furnace capacity) là thể tích toàn bộ không gian buồng đốt. Dung tích buồng đốt ký hiệu là Vbđ, đơn vị là m3. Để bảo đảm cho chất đốt cháy hoàn toàn, ngoài yêu cầu cung cấp đầy đủ ôxy ra còn cần bảo đảm nhiệt độ trong không gian buồng đốt cao hơn nhiệt độ bén cháy của nhiên liệu, nhiệt độ khí lò trong buồng đốt cần đủ cao để truyền nhiệt bức xạ được mạnh mẽ, ngọn lửa cháy không nên tiếp xúc đến các bề mặt không phải là bề mặt hấp nhiệt (nếu không lượng nhiên liệu chưa cháy hoàn toàn sẽ kết thành muội cốc trên các bề mặt ấy). Vì vậy trị số của Vbđ phải được chọn vừa phải tuỳ theo kiểu buồng đốt, loại nhiên liệu, lượng tiêu hao nhiên liệu, nhiệt độ không khí trong nồi. Dung tích buồng đốt không tính đến dung tích đường khí lò của phần trao đổi nhiệt đối lưu. 34 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 2.4.7. Nhiệt tải dung tích buồng đốt Nhiệt tải dung tích buồng đốt (furnace heat density) là nhiệt lượng cung cấp vào buồng đốt trong một giờ trên một đơn vị dung tích buồng đốt. Nhiệt tải dung tích buồng đốt ký hiệu là qv, đơn vị là kCal/m2h. (2-3) Trong đó: Bt – Lượng tiêu hao nhiên liệu trong một giờ (kg/h). QH – Nhiệt trị thấp của nhiên liệu (kCal/kg). Nhiệt tải dung tích buồng đốt đặc trưng cho mức độ tập trung nhiệt lượng trong không gian buồng đốt. Trị số qv quá cao có thể làm hỏng gạch chịu lửa, hỏng vách buồng đốt. Với nồi hơi đốt dầu có diện tích vách lớn, qv = 0,60,7.106 kCal/m3h. Với nồi hơi tàu chiến, qv = 3.106 kCal/m3h. Ngoài ra, qv còn đặc trưng cho độ lâu dài của chất cháy lưu lại trong buồng đốt. 2.4.8. Lượng nước nồi Lượng nước nồi (water quantity) là lượng nước tại mặt tách hơi tính ở nhiệt độ bão hòa. Mặt tách hơi là bề mặt ngăn cách giữa không gian nước với không gian hơi của bầu nồi. Lượng nước nồi ký hiệu là Gn, đơn vị là kg. (2-4) Gn = Vn (kg) Trong đó: – Tỷ trọng của nước ở nhiệt độ bão hòa (kg/m3). Vn – Dung tích nước tại mặt tách hơi (m3). 35 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Chú ý rằng trong không gian nước (nhất là đối với nồi hơi ống nước) luôn có lẫn hơi nước, lượng hơi nước ấy thay đổi tuỳ theo tải trọng của nồi hơi. Vì vậy, giá trị của Gn tính như trên luôn lớn hơn giá trị thực tế một lượng nhất định. 2.4.9. Hiệu suất nồi hơi Hiệu suất nhiêt của nồi hơi (boiler thermal efficiency) là tỷ số giữa nhiệt lượng có ích cấp cho nồi hơi và nhiệt lượng do nhiên liệu tỏa ra. (2-5) Chú ý rằng N tính như trên chưa xét tới lượng nhiệt tiêu hao cho bản thân nồi hơi như việc cấp nhiên liệu, cấp nước, thông gió, thổi muội cho nồi hơi... Hiệu suất nồi hơi là một thông số quan trọng, trực tiếp cho ta biết hiệu quả hoạt động của nồi hơi. Chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về hiệu suất nồi hơi, các yếu tố ảnh hưởng cũng như các biện pháp cải thiện thông số này ở chương tiếp theo. Ngoài ra, nồi hơi còn có rất nhiều thông số khác như: bội số tuần hoàn, chu kỳ không cấp nước, suất trọng lượng nồi hơi... Các thông số này chủ yếu được sử dụng trong thiết kế, chế tạo hay tính nghiệm nhiệt nồi hơi. Với kỹ sư khai thác máy tàu biển, chúng ta chỉ cần nắm được những thông số chính nói trên để có thể khai thác nồi hơi một cách hiệu quả, an toàn và kinh tế. 36 NỒI HƠI TÀU THỦY 2.5. TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Nguyên lý hoạt động của nồi hơi và hệ thống nồi hơi 2.5.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản của nồi hơi Hình 2.4. Nguyên lý chung của nồi hơi đốt dầu. Nước được cấp vào nồi hơi nhờ bơm nước cấp, mức nước trong nồi được theo dõi qua ống thủy. Nhiên liệu và gió cấp được cấp vào buồng đốt nồi hơi qua thiết bị buồng đốt. Gió cấp có hai chức năng: duy trì sự cháy của ngọn lửa và thông gió cho buồng đốt. Quá trao nhiệt diễn ra như sau (Hình 2.6): nhiên liệu (dầu đốt) được phun vào buồng đốt với áp lực cao, được đốt cháy tạo thành khí lò có nhiệt độ cao, tiến hành trao đổi nhiệt bức xạ cho các bề mặt hấp nhiệt bức xạ xung quanh buồng đốt, sau đó quét qua các bề mặt hấp nhiệt đối lưu của nồi hơi (các cụm ống, bộ sấy hơi, các thiết bị tận dụng nhiệt...) để trao nhiệt đối lưu và cuối cùng theo ống khói bay lên trời. 37 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Nước trong bầu nồi hoặc trong các ống nước (chỉ có ở nồi hơi ống nước) nhận nhiệt để sôi và bay hơi. Hơi sinh ra tập trung trong không gian hơi của nồi hơi. Khi áp lực hơi đủ lớn, ta mở van hơi chính để đưa hơi nước đi sử dụng. Do nồi hơi là một thiết bị chịu áp lực nên mọi nồi hơi đều được lắp van an toàn. Van an toàn là một thiết bị có chức năng bảo vệ, tránh nổ vỡ cho nồi hơi khi áp suất trong nồi tăng quá giới hạn cho phép. Áp suất này được chỉ báo trên áp kế. Như vậy, một nồi hơi muốn hoạt động được bao giờ cũng phải có nguồn nhiệt (hệ thống nhiên liệu); nguồn nước (chất nhận nhiệt); thiết bị trao đổi nhiệt (các trống, ống, bộ sấy hơi...); thiết bị phân phối hơi (van, ống dẫn hơi...); thiết bị chỉ báo, báo động và bảo vệ an toàn. Đây là nguyên lý cơ bản đối với mọi chủng loại nồi hơi. 2.5.2. Quá trình sinh hơi trong nồi hơi Quá trình sinh hơi trong nồi hơi gồm 3 giai đoạn được biểu diễn trên đồ thị i-t như Hình 2.7. 1. Quá trình đun sôi nước (ở áp suất nồi hơi) tiến hành theo đường nước sôi x = 0 (đoạn 12 hoặc 12’). 2. Quá trình bốc hơi tiến hành theo đường đẳng nhiệt (đoạn 23 hoặc 2’3’). 3. Quá trình sấy hơi tiến hành theo đường đẳng áp (đoạn 34 hoặc 3’4’). Quá trình 1234 là quá trình sinh hơi của một nồi hơi có thông số 20kG/cm2, 212oC (nồi hơi thông số thấp); 12’3’4’ là quá trình sinh hơi của một nồi hơi có thông số 180kG/cm2, 356oC (nồi hơi thông số cao). 38 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng I (kcal/kg) 4 4’ 20 40 80 x=1 180 0.8 3’ 0.7 K ibh2 500 i 400 2’ 0.3 iđs2 300 i bh1 600 0.9 120 ish2 3 ish1 p=1at 700 0.2 2 iđs1 200 0.1 100 1 x=0 100 200 300 400 t (o C) Hình 2.5. Quá trình sinh hơi của nồi hơi trên đồ thị i-t. Từ đồ thị ta thấy rằng: biến thiên enthalpy trong quá trình đun sôi iđs2 > iđs1, nghĩa là diện tích bề mặt hấp nhiệt đun sôi Fđs1 < Fđs2. Trong quá trình bốc hơi ibh1 > ibh2 nên diện tích hấp nhiệt bốc hơi Fbh1 > Fbh2. Mặt khác, trên thực tế giá thành chế tạo một đơn vị diện tích bề mặt bốc hơi cao hơn giá thành chế tạo một đơn vị diện tích bề mặt đun sôi. Như vậy, dùng nồi hơi thông số cao sẽ tăng tính kinh tế do có diện tích bốc hơi nhỏ hơn. 39 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Chú ý rằng quá trình sinh hơi thực tế có phần khác quá trình biểu diễn trên đồ thị do nhiệt độ nước ra bộ tận dụng nhiệt hâm nước chưa đạt tới độ sôi, nhiệt bốc hơi cũng thấp hơn trị số lý thuyết. 2.5.3. Hệ thống nồi hơi Hệ thống nồi hơi tàu thủy (boiler system) có thể gồm có: Nồi hơi (một hoặc nhiều chiếc): thiết bị chính trong hệ thống. Hệ thống nhiên liệu (fuel system): bao gồm bơm dầu đốt, bầu hâm dầu, thiết bị đốt dầu, két chứa dầu, phin lọc dầu... Hệ thống cấp nước (feed water system): bao gồm bơm cấp nước nồi, bầu hâm nước cấp, két nước cấp, két nước ngưng, bầu ngưng... Hệ thống xử lý nước nồi (water conditioning equipments): bao gồm bầu lọc nước, bộ làm mềm nước, két hóa chất... Hệ thống thông gió (ventilation system): bao gồm quạt gió, quạt hút khói. Hệ thống phân phối hơi (steam distribution system): bao gồm van hơi chính, ống dẫn hơi, van giảm áp... Các thiết bị cải thiện chất lượng hoạt động của nồi hơi (boiler maintenance equipment): gồm có van gạn mặt, van xả đáy, bộ khử khí, thiết bị thổi muội, thiết bị khô hơi... Các thiết bị tận dụng nhiệt (economizers) như: bộ sấy hơi, bộ tận dụng nhiệt hâm nước, bộ tận dụng nhiệt sấy không khí, bộ giảm sấy... Các thiết bị điều khiển và kiểm tra (control & monitoring equipment): gồm có rơle áp suất, rơle nhiệt độ, mắt thần, van 40 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng điện từ, van một chiều... và các thiết bị tự động điều chỉnh quá trình làm việc của nồi hơi. Các thiết bị chỉ báo, báo động và bảo vệ (indicators, alarm system and protection equipment): bao gồm ống thủy, kính nhìn, áp kế, nhiệt kế, đèn báo động, chuông báo động, van an toàn, rơle áp lực... Dưới đây là ví dụ về hệ thống nồi hơi điển hình dưới tàu hiện nay. Nồi hơi sử dụng ở hệ thống này là kiểu nồi hơi hình trụ đứng ống nước đứng. Dầu đốt sử dụng cho nồi hơi có thể là dầu nặng (FO) hoặc dầu nhẹ (DO). Khi cần chuyển đổi loại nhiên liệu, ta chỉ cần đóng mở các van tương ứng. Trên sơ đồ này, ta có thể nhận thấy và phân biệt các hệ thống phục vụ cho nồi hơi, đó là: hệ thống nhiên liệu (bao gồm phin lọc dầu, bơm dầu tuần hoàn, bầu hâm dầu, van điện từ, súng phun...), hệ thống nước cấp (bao gồm két nước cấp, két nước ngưng, hai bơm cấp nước nối song song, bầu ngưng, van một chiều...), hệ thống phối hơi (bao gồm van hơi chính, bình tích năng, van tắt...) và một số thiết bị phục vụ khác. Bơm dầu luôn chạy ngay cả khi nồi hơi đang tắt, dầu đốt được bơm cấp liên tục qua bầu hâm, vào súng phun. Giả sử lúc này nồi hơi đang dừng, van điện từ trên đường dầu về sẽ mở, do đó, dầu từ súng phun trở về luôn cửa hút của bơm, tạo thành một mạch dầu tuần hoàn. Điều này giúp cho dầu đốt luôn được hâm ở một nhiệt độ nhất định để có thể sẵn sàng cho việc đốt nồi bất kỳ lúc nào. Khi có tín hiệu đốt nồi hơi, van điện từ sẽ đóng, áp lực dầu vào súng phun tăng vọt và dầu được phun vào buồng đốt, hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp nhiên liệu dưới dạng sương mù. Cùng lúc đó, thiết bị đánh lửa hoạt động và quá trình cháy bắt đầu. 41 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hình 2.6. Hệ thống nồi hơi tàu thủy. 42 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Khi nồi hơi hoạt động, mức nước trong nồi sẽ liên tục thay đổi. Việc duy trì một mức nước phù hợp được thực hiện bởi các bơm cấp nước kết hợp với thiết bị cảm ứng mức nước nồi. Các bơm này được bật/tắt thông qua các rơle điều khiển. Tín hiệu mức nước được truyền tới rơle từ thiết bị cảm ứng mức nước đặt trong ống thủy. Khi mức nước nồi cạn dưới mức cho phép, rơle điều khiển sẽ đưa tín hiệu bật bơm để bổ sung. Các bơm có thể hoạt động độc lập hoặc song song. Thông thường, chỉ có một bơm hoạt động, bơm còn lại để dự phòng. Bơm có thể hút nước từ két nước cấp hoặc két nước ngưng. Nước trong két nước ngưng chính là nước ngưng tụ từ hơi về bầu ngưng. Trên đường cấp nước tới nồi hơi, một van một chiều được lắp để tránh hiện tượng trào ngược khi áp suất trong nồi hơi tăng cao. Khi mức nước nồi cao quá mức cho phép, rơle điều khiển sẽ đưa tín hiệu dừng bơm. Khi áp suất trong nồi đủ cao, hơi nước sinh ra có nhiệt độ đủ lớn, ta mở van hơi chính để đưa hơi đi sử dụng. Ngay trước van hơi chính là một bình tích năng, thiết bị này có nhiệm vụ duy trì áp lực hơi ở một giá trị không đổi. Một van tắt được bố trí giữa đường cấp hơi đi công tác và đường hơi về. Van tắt có chức năng điều chỉnh lượng hơi đi sử dụng, ví dụ như khi muốn giảm lượng hơi đi công tác, ta mở van tắt đến một độ mở nhất định để trích một phần hơi về thẳng bầu ngưng. Đây là một hệ thống nồi hơi cơ bản, khá đơn giản và nhỏ gọn. Với nồi hơi cỡ lớn, ở những hệ thống lớn, nhiều thiết bị, phụ kiện khác được trang bị. Chúng ta sẽ lần lượt nghiên cứu cụ thể kết cấu của từng loại nồi hơi, các thiết bị cũng như hệ thống phục vụ ở những chương tiếp theo. 2.6. Yêu cầu đối với nồi hơi sử dụng dưới tàu thủy Nồi hơi đốt dầu sử dụng dưới tàu thủy cần thỏa mãn những yêu cầu sau đây: 43 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 1. An toàn khi sử dụng. Đây là yêu cầu quan trọng nhất vì nếu có sự cố xảy ra trong quá trình hoạt động của nồi hơi, sự làm việc bình thường của máy móc xung quanh sẽ bị ảnh hưởng, gây tai nạn cho thuyền viên, làm ảnh hưởng đến hoạt động của tàu, các hệ thống phục vụ. Với nồi hơi chính, sự cố nồi hơi có thể làm cho tàu dừng. Do đó, ở dưới tàu chỉ có các kiểu nồi hơi có cấu tạo bền, chắc, đã qua thử nghiệm kỹ lưỡng mới được sử dụng. 2. Kích thước nhỏ, gọn nhẹ, dễ bố trí trên tàu. Điều này nhằm tăng trọng tải, mở rộng tầm xa hoạt động của tàu. Do đó, nồi hơi tàu thủy thường là loại có nhiệt tải dung tích buồng đốt lớn, suất bốc hơi lớn, lưu tốc khí lò nhanh, số bầu nồi ít, đường kính bầu nồi và ống bé để giảm độ dày và trọng lượng. 3. Cấu tạo đơn giản, thuận tiện cho việc khai thác, sửa chữa. Yêu cầu này cần được đảm bảo do thuyền viên trên tàu thường thay đổi liên tục. Ngoài ra, nồi hơi tàu thủy phải là loại phù hợp với trình độ của kỹ sư máy trên tàu. 4. Tính kinh tế cao. Yêu cầu này thể hiện ở chỗ: đảm bảo hiệu suất ở toàn tải, hiệu suất giảm ít khi nhẹ tải; suất tiêu hao nhiên liệu thấp; tuổi thọ cao; chu kỳ bảo dưỡng, sửa chữa dài... 5. Tính cơ động cao. Tính cơ động cao thể hiện ở chỗ: thời gian đốt nồi lấy hơi nhanh, có thể nhanh chóng tăng giảm tải để thích ứng với sự thay đổi chế độ làm việc của tuan bin hơi (với hệ động lực hơi nước); có năng lượng tiềm tàng lớn, buồng đốt ít quán tính; khi cần thiết có khả năng quá tải 2545%; các mặt hấp nhiệt không bị nhô lên khỏi mặt nước (với nồi hơi ống lửa) khi tàu lắc ngang 30o hoặc chúi mũi 12o; thích hợp với nhiều loại dầu đốt... Chú ý rằng yêu cầu đối với nồi hơi của các loại tàu không giống nhau. Tàu khách, tàu hàng chạy định tuyến được cung cấp đều đặn một loại 44 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng dầu đốt, có điều kiện kiểm tra sửa chữa ở cảng, thời gian điều động tàu (manouvering) ít, hầu hết thời gian làm việc đều ở chế độ toàn tải nên cần bảo đảm hiệu suất cao khi tàu chạy bình thường (tốc độ định mức). Tàu kéo, tàu cá, tàu công trình... làm việc ở chế độ tải hay thay đổi, đôi khi lại cần lai dắt nên yêu cầu tính cơ động tốt và bảo đảm hiệu suất cao kể cả khi nhẹ tải. Tàu chiến yêu cầu thời gian đốt nồi lấy hơi thật ngắn và tính cơ động rất cao. Chúng ta nên biết rằng nồi hơi cũng được sử dụng ở trên bờ. Tuy nhiên, yêu cầu đối với nồi hơi tàu thủy rất khác so với nồi hơi trên bờ: kích thước, trọng lượng, cấu tạo phải gọn nhẹ, đơn giản hơn, chất đốt tốt hơn. Song nồi hơi tàu thủy không phải lúc nào cũng hoạt động nên có điều kiện thường xuyên rửa nồi và sửa chữa. Nồi hơi trên bờ thông thường trên một năm mới dừng lò và tiến hành bảo dưỡng, sửa chữa. Các yêu cầu kể trên mang tính chất tương đối và có thể không hoàn toàn thống nhất với nhau. Ví dụ, lượng nước nồi ít sẽ rút ngắn được thời gian đốt nồi lấy hơi, giảm trọng lượng nồi hơi, song mực nước nồi và áp suất hơi nước có thể kém ổn định. 45 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Chương 3. 3.1. Nhiên liệu và quá trình cháy trong nồi hơi Nhiên liệu dùng cho nồi hơi tàu thủy Nhiên liệu (fuel) là những vật có thể cháy được (hay có thể ôxy hóa được), khi cháy tỏa ra nhiều nhiệt và ánh sáng. Ngày nay, một trong những loại nhiên liệu được sử dụng phổ biến nhất trong các lĩnh vực công nghiệp là dầu mazut. Trong các sản phẩm chế biến từ dầu mỏ, dầu mazut chiếm khoảng 40% về khối lượng và đây chính là loại nhiên liệu được sử dụng cho nồi hơi tàu thủy. Dầu mazut gồm hai loại hay được sử dụng nhất là dầu nhẹ DO (diesel oil) và dầu nặng FO (fuel oil). 3.1.1. Thành phần dầu đốt nồi hơi Dầu đốt bao gồm hai nhóm thành phần sau: Thành phần cháy được (combustible constituent): gồm có cácbon (C), hyđrô (H2), lưu huỳnh bốc (Sb). Thành phần không cháy được (non-combustible constituent): gồm có nitơ (N2), lưu huỳnh không bốc - tức là ở dạng sunfat (Skb), chất tro (A), chất ẩm (W) và chất trợ cháy ôxy (O2). Lưu huỳnh bốc Sb là hợp chất sunfua của kim loại như FeS2. Nó có tính bốc cháy được và sinh ra khí SO2, SO3. Lưu huỳnh không bốc Skb ở thể sunfat không cháy được vì nó ở dạng ôxy hóa tới hạn (SO3). Thành phần cháy được càng nhiều thì lượng sinh nhiệt của dầu đốt càng cao. Ví dụ: 1kg cácbon cháy hoàn toàn sẽ tỏa ra 8100kCal, nhiệt lượng đó sẽ là 28700kCal với 1kg H2 và 2130kCal với 1kg Sb. 46 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Chất tro tồn tại là do quặng lẫn trong dầu đốt như ôxít silic, ôxít sắt, ôxít nhôm, sunfat lưu huỳnh, sunfat magiê. Chất tro nhiều sẽ làm giảm lượng sinh nhiệt của dầu đốt. Hạm lượng chất tro trong dầu đốt nồi hơi thường dưới 1%. Ôxy không thể sinh ra nhiệt, mà còn ôxy hóa các nguyên tố cháy được, hạ thấp lượng sinh nhiệt của dầu đốt. Nitơ là khí trơ, không tham gia vào phản ứng cháy, dễ bay lên cùng khí lò khi đốt dầu. Lượng N2 trong dầu đốt càng ít càng tốt, thường không đến 2%. Chất ẩm trong dầu đốt làm giảm lượng sinh nhiệt vì không những nó không cháy được mà còn hấp nhiệt để bốc thành hơi trong quá trình đốt dầu. 3.1.2. Các tính chất đặc trưng a) Nhiệt trị Nhiệt trị của nhiên liệu (heating value) là nhiệt lượng mà 1kg nhiên liệu đó tỏa ra khi được đốt cháy hoàn toàn. Nhiệt trị gồm có nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp. Nhiệt trị cao (high heating value) là nhiệt lượng mà 1kg nhiên liệu đó tỏa ra khi được đốt cháy hoàn toàn, trong đó phần nước của bản thân nhiên liệu và nước do hyđrô sinh ra chưa biến thành hơi. Ký hiệu: QB (kJ/kg hoặc kCal/kg). Nhiệt trị thấp (low heating value) là nhiệt lượng mà 1kg nhiên liệu đó tỏa ra khi được đốt cháy hoàn toàn, trong đó phần nước của bản thân nhiên liệu và nước do hyđrô sinh ra đã biến thành hơi. Ký hiệu: QH (kJ/kg hoặc kCal/kg). Như vậy, nhiệt trị thấp chính là nhiệt trị cao của nhiên liệu trừ đi phần nhiệt lượng tiêu tốn để bay hơi thành phần nước có trong 1kg nhiên liệu và nước tạo thành từ hyđrô trong 1kg nhiên liệu đó. Một cách gần 47 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng đúng, có thể tính nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp bằng công thức của Meldelyyv: (3-1) (3-2) Trong đó: lần lượt là lượng cácbon, hyđrô, lưu huỳnh bốc, ôxy và nước có trong 1kg nhiên liệu. Tuy nhiên, vì các thành phần trong chất đốt có liên hệ với nhau, phản ứng cháy tiến hành phức tạp hơn nhiều nên không thể dùng công thức trên đựơc. Trên thực tế, để có độ chính xác cao, nhiệt trị được đo bằng nhiệt lượng kế (caloriemetter). Nhiệt trị là thông số đặc trưng cho khả năng sinh nhiệt của dầu đốt nồi hơi. Nhiệt trị càng cao thì lượng sinh nhiệt của dầu đốt càng lớn, do đó suất tiêu hao nhiên liệu sẽ giảm và ngược lại. b) Nhiệt độ bén cháy Nhiệt độ bén cháy (flash point) của dầu là nhiệt độ mà tại đó hơi dầu bốc lên có khả năng bắt lửa khi có mồi lửa từ bên ngoài. Nhiệt độ bén cháy của dầu đốt nồi hơi từ 80oC đến 150oC tùy theo loại dầu. c) Nhiệt độ tự cháy Nhiệt độ tự cháy (autoignition temperature/kindling point) của dầu là nhiệt độ mà tại đó dầu có khả năng tự bốc cháy mà không cần mồi lửa từ bên ngoài. 48 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 3.1.3. Yêu cầu đối với nhiên liệu dùng cho nồi hơi tàu thuỷ Nhiên liệu sử dụng cho nồi hơi tàu thủy phải đảm bảo những yêu cầu sau: 1. Nhiệt trị lớn: để tăng thêm trọng tải có ích và tăng thêm bán kính hoạt động của tàu. 2. Không tự bén cháy trong két chứa trên tàu: để đảm bảo an toàn cho con tàu và thuyền viên. 3. Không bị biến chất. 4. Ít tro bụi, ít lưu huỳnh và chất độc: để ít tổn hại đến sức khỏe thuyền viên trên tàu, ít làm mục rỉ ống khói, bộ tận dụng nhiệt hâm nước, bộ sưởi không khí... 5. Giá thành rẻ vì chi phí về dầu đốt có thể chiếm tới 3040% chi phí sử dụng tàu thủy. 3.2. Qúa trình cháy trong buồng đốt nồi hơi 3.2.1. Các giai đoạn cháy nhiên liệu Dầu từ súng phun được phun vào buồng đốt với áp lực cao, hòa trộn với không khí và được xé nhỏ thành các hạt sương dầu. Quá trình đốt cháy hạt sương dầu diễn ra gồm 3 giai đoạn: a) Giai đoạn nung nóng, bốc hơi (giai đoạn chuẩn bị cháy) Nhiệt lượng xung quanh buồng đốt truyền tới hạt sương dầu, nung nóng nó, làm nó bốc hơi, tạo thành một tầng hơi dầu bao lấy hạt sương dầu. Lúc này, trên bề mặt của hạt sương dầu có các hợp chất cao phân tử, là phần còn lại của lớp dầu ngoài cùng bị nung nóng đã bốc thành hơi dầu. Các hợp chất cao phân tử này làm giảm năng lực khuyếch tán của ôxy tới hạt dầu, tạo điều kiện hóa cốc. Sở dĩ hiện tượng hóa cốc xảy ra là do tốc độ bốc hơi của hạt sương dầu chậm hơn tốc độ phân 49 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng giải các hợp chất cao phân tử. Giai đoạn này diễn ra mãnh liệt ở nhiệt độ 200300oC. b) Giai đoạn phân giải Hạt sương dầu đã được sấy khô tiếp tục nhận nhiệt để chất bốc trong nó thoát ra dần và có thể bắt đầu cháy. Trong quá trình nung nóng hạt sương dầu, các cácbua hyđrô cao phân tử bị nhiệt phân thành những nguyên tố đơn giản cácbon và hyđrô. Dầu madút chứa nhiều mêtan (CH4) và khí thiên nhiên nên phải ở nhiệt độ trên 600oC, các cácbua hyđrô mới phân huỷ. c) Giai đoạn cháy Khi các thành phần hơi dầu dễ bén lửa đạt đến nhiệt độ bén cháy, giai đoạn cháy bắt đầu diễn ra. Dầu đốt nồi hơi thường có 1520% thành phần nhẹ, nên ở nhiệt độ 150200oC (nhiệt độ bén cháy của thành phần nhẹ) đã xuất hiện ngọn lửa ổn đinh, tức là giai đoạn cháy đã bắt đầu. Tốc độ phản ứng cháy nhanh hơn nhiều so với tốc độ chuẩn bị cháy (nung nóng, bốc hơi, phân giải hợp chất cao phân tử), thời gian tiến hành phản ứng cháy hóa học chỉ chiếm khoảng 1% tổng thời gian cháy. Tổng thời gian cháy hạt sương dầu thường là 0,10,15 giây. Trên thực tế, cả ba giai đoạn của quá trình cháy hầu như diễn ra đồng thời. 3.2.2. Cháy hoàn toàn và không hoàn toàn Cháy hoàn toàn (complete combustion) nghĩa là các sản phẩm cháy (H2O, CO2, SO2, N2, O2) khi ra khỏi buồng đốt (nhiệt độ từ 8001200oC) không thể hòa hợp với ôxy mà tiếp tục cháy nữa, nói 50 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng cách khác các thành phần cháy được đã cháy hết và tỏa nhiệt ra hết trong buồng đốt. Ngược lại, khi cung cấp không đủ không khí, không khí không được trộn đều với dầu đốt, cung cấp quá nhiều không khí làm cho nhiệt độ buồng đốt thấp, hoặc dung tích buồng đốt quá hẹp thì quá trình cháy sẽ diễn ra không hoàn toàn (incomplete combustion). Trong khói lò ngoài H2O, N2, O2 ra còn có các khí cháy chưa kịp cháy như CO, H2, CH4, CmHn, đồng thời trên bề mặt hấp nhiệt còn có muội (muội là cácbon thuần tuý và hyđrô, hyđrô cháy hết còn lại cácbon ở dạng muội). Do đó, mọi quá trình cháy thực tế trong nồi hơi đều là cháy không hoàn toàn. Ngọn lửa đốt dầu được cung cấp không khí vào với số lượng vừa phải sẽ có màu vàng nhạt, có thể lờ mờ nhìn thấy vách sau của buồng đốt. Nếu thiếu không khí ngọn lửa sẽ có màu vàng, thiếu nhiều không khi sẽ có màu da cam, rất thiếu không khí sẽ có màu đỏ. Nếu cung cấp quá nhiều không khí, có thể nhìn thấy rõ vách sau của buồng đốt qua ngọn lửa. Trong trường hợp khí cháy chưa cháy hết đã đi lên tiếp xúc với thành vách buồng đốt, các bề mặt trao nhiệt có nhiệt độ cao, nó sẽ tiếp tục cháy (hiện tượng cháy muộn, hay còn gọi là cháy rớt) và có thể tạo muội bẩn, gây hư hỏng buồng đốt cũng như các mặt hấp nhiệt. Để giảm bớt tổn thất về cháy trong buồng đốt, cần tạo ra các điều kiện để đưa quá trình cháy thực tế gần với quá trình cháy hoàn toàn. Các điều kiện đó là: 1. Cung cấp đầy đủ không khí. Quá ít không khí hoặc quá nhiều không khí đều không có lợi. Quá thừa không khí không những tốn thêm năng lượng cho việc thông gió của nồi hơi mà còn hạ thấp nhiệt độ trong buồng đốt, làm tăng nhiệt lượng tổn thất do khói lò mang đi . 51 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 2. Trộn đều không khí với dầu đốt, nói cách khác là đảm bảo cho hỗn hợp dầu - không khí tơi, mịn, có khả năng phun sương tốt. Áp dụng các biện pháp để phun nhiên liệu thành dòng xoáy lốc trong buồng đốt là cách làm rất hiệu quả. 3. Đảm bảo nhiệt độ trong buồng đốt đủ cao và phân bố đều đặn. Nhiệt độ buồng đốt quá cao (>2000oC) sẽ tạo điều kiện cho quá trình phân giải diễn ra và hấp thụ bớt một phần nhiệt lượng. Nhiệt độ buồng đốt quá thấp sẽ kéo dài giai đoạn chuẩn bị cháy, thậm chí làm tắt nồi. Nên duy trì nhiệt độ trong buồng đốt vào khoảng 10002000oC. 4. Buồng đốt đủ dung tích để cháy hết nhiên liệu, hạn chế hiện tượng cháy muộn. 3.2.3. Hệ số không khí thừa α Trên thực tế, không thể đảm bảo trộn đều không khí với dầu đốt và cung cấp lượng không khí thích hợp cho mỗi giai đoạn cháy cũng như mỗi vùng của buồng đốt. Vì vậy, để đảm bảo cháy hoàn toàn, so với phương trình phản ứng cháy cần cung cấp thừa không khí, tức là lượng không khí thực tế cấp vào buồng đốt phải lớn hơn lượng không khí lý thuyết tính theo các phương trình phản ứng cháy. Việc cung cấp thừa không khí được đặc trưng bởi hệ số không khí thừa, khí hiệu α, là tỷ số giữa lượng không khí thực tế cấp vào buồng đốt để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu và lượng không khí lý thuyết tính theo phản ứng cháy để đốt cháy hết 1kg nhiên liệu đó. Cung cấp không đủ không khí sẽ không thể đảm bảo cháy hoàn toàn. Song cung cấp quá thừa không khí không những làm tăng lượng khói lò, kéo theo tăng tổn thất nhiệt do khói lò mang đi mà còn làm tăng lượng SO2 (vì SO2 dưới xúc tác của Fe2O3 sẽ sinh ra SO3), do đó tăng khả năng ăn mòn điểm sương. Vì vậy cần cung cấp không khí với hệ 52 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng số không khí thừa vừa phải, phù hợp với kiểu buồng đốt, loại dầu đốt và tải trọng nồi hơi. Do đó, ngoài cách thường xuyên quan sát màu ngọn lửa và màu khói lò, cần định kỳ phân tích khói lò để biết hệ số không khí thừa có được thích hợp không. Đối với nhiên liệu là dầu, thành phần khí không cháy hết trong khói chủ yếu là CO, các thành phần khác rất ít, không đáng kể nên hệ số không khí thừa α được tính theo công thức rút gọn sau: (3-3) Trong đó, O2, CO, RO2 là thành phần ôxy, cácbon ôxit và khí hai nguyên tử (CO2, SO2) có trong khói. Khi nhẹ tải, lượng dầu đốt cung cấp vào buồng đốt giảm nên hệ số không khí thừa tăng lên, ngay cả khi đã điều chỉnh quạt gió để giảm lượng gió cung cấp vào. Ngược lại, khi quá tải giảm vì phải đốt thêm dầu. Giá trị ở mỗi tải trọng tùy thuộc vào lượng tiêu thụ nhiên liệu và khả năng cung cấp (điều chỉnh) quạt gió ở tải trọng ấy. Khi nồi hơi hoạt động ở 75 100% tải, có thể coi const. Khi nhẹ tải (dưới 75%), ta có thể xác định giá trị phù hợp bằng công thức quy đổi sau: (3-4) Trong đó: ', D' – Hệ số không khí thừa và lượng sinh hơi khi nhẹ tải. , D – Hệ số không khí thừa và lượng sinh hơi khi toàn tải. 53 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 3.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trong nồi hơi a) Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trong nồi hơi Thời gian chuẩn bị cháy ảnh hưởng rất nhiều đến toàn bộ quá trình cháy trong nồi hơi. Thời gian chuẩn bị cháy chủ yếu phụ thuộc vào các yếu tố sau: 1. Loại dầu đốt. Dầu đốt có ít chất bốc, hàm lượng tro, ẩm cao, nồng độ của thành phần cháy được không cao sẽ kéo dài thời gian chuẩn bị cháy. Ngược lại, với dầu đốt có nhiều chất bốc, ít tro, ẩm, nồng độ của thành phần cháy được cao, thời gian chuẩn bị cháy sẽ ngắn hơn. Dầu DO có tốc độ cháy rất nhanh vì trong giai đoạn chuẩn bị cháy, dầu lỏng được biến hoàn toàn thành khí cháy. 2. Kết cấu và tình trạng kỹ thuật của thiết bị đốt dầu (súng phun, quạt gió...). Kích thước hạt dầu càng bé, khả năng tiếp xúc với khí nóng trong trong buồng đốt càng cao, do đó thời gian chuẩn bị cháy sẽ ngắn hơn. Điều này phụ thuộc vào chất lượng súng phun và khả năng hòa trộn, tán nhỏ nhiên liệu. Kết cấu thiết bị buồng đốt cũng ảnh hưởng tới tốc độ tương đối giữa dầu đốt với không khí. Khi tốc độ này nhanh và hỗn hợp lưu động kiểu xoáy lốc, không khí sẽ hòa trộn với dầu tốt hơn, giúp cho quá trình khuếch tán không khí tới các hạt dầu nhanh chóng hơn. 3. Nhiệt độ và áp suất buồng đốt. Nhiệt độ và áp suất trong buồng đốt càng cao, nhiệt độ bén cháy của dầu càng thấp, thời gian chuẩn bị cháy càng ngắn. 4. Nhiệt độ, áp suất và mật độ của không khí cấp vào. Không khí cấp vào có nhiệt độ, áp suất và mật độ cao sẽ làm cho hạt dầu nhanh chóng được sấy khô và nung nóng, làm tăng nhiệt độ bình quân của buồng đốt. 54 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 5. Vị trí tương đối giữa dầu đang cháy với dầu mới cấp vào. Điều này được quyết định bởi kiểu kết cấu buồng đốt. 6. Hệ số không khí thừa α. Hệ số không khí thừa tốt nhất là vào khoảng 1,05÷1,25. Với nồi hơi cũ, có thể chọn α lên đến 1,5 để đảm bảo dầu đốt được hoà trộn hết với không khí. 7. Tốc độ phản ứng cháy hóa học. Tốc độ này phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ tuyệt đối. Áp suất hay nhiệt độ tuyệt đối càng cao thì nồng độ các chất tham gia phản ứng càng tăng, do đó tốc độ phản ứng cháy hoá học càng nhanh và quá trình cháy diễn ra nhanh hơn. b) Các yếu tố ảnh hưởng đến sự cháy ổn định Cần đảm bảo quá trình cháy trong buồng đốt được ổn định để cho chất đốt tự bén cháy được kể cả khi nhẹ tải, giữ ngọn lửa ở vị trí thích hợp không làm hỏng tường buồng đốt hoặc đầu súng phun. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự cháy ổn định là: 1. Khả năng tự bén cháy của chất đốt. 2. Khả năng cung cấp không khí đầy đủ và liên tục. 3. Chất lượng thông gió, thể hiện ở việc liên tục đưa khí lò ra xa để cho không khí khuếch tán đến bề mặt của chất đốt. 3.2.5. Hiện tượng ăn mòn điểm sương và mục rỉ vanađi a) Ăn mòn điểm sương Lưu huỳnh khi cháy sẽ sinh ra SO3, SO3 sẽ kết hợp với H2O tạo thành axít H2SO4. Khi nhiệt độ khói lò nhỏ hơn nhiệt độ điểm sương thì hơi H2SO4 và hơi H2O sẽ ngưng đọng lên các mặt hấp nhiệt và làm mục rỉ các bề mặt ấy. Hiện tượng ăn mòn này xảy ra khi nhiệt độ giảm đến 120oC130oC. 55 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Cơ chế: S + O2 → SO2 2SO2 + O2 → 2SO3 SO3 + H2O → H2SO4 H2SO4 + Fe → FeSO4 + H2↑ 3H2SO4 + Fe2O3 → Fe2(SO4) 3 + 3H2O 3H2O + Fe2O3 → 2Fe(OH)3 Do đó, để hạn chế hiện tượng ăn mòn điểm sương, cần duy trì nhiệt độ khói lò cao hơn nhiệt độ điểm sương ở áp suất tương ứng. b) Mục gỉ vanađi Vanađi cháy sinh ra penta ôxít vanađi (V2O5) có nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp, khoảng 675oC nhưng còn có thể giảm đến 550580o C nếu cũng có Na2SO4 và K2SO4 được tạo thành bởi sự kết hợp giữa K2O, Na2O với SO3 khi cháy lưu huỳnh. Ở nhiệt độ nóng chảy, V2O5 bám trên các bề mặt kim loại sẽ làm mục gỉ các bề mặt ấy. Cơ chế: V + O2 → V2O3 Trên 450oC: V2O3 + O2 → V2O5 550675oC: 3V2O5 + 4Fe → 2Fe2O3 + 3V2O3↑ V2O3 lại hấp thụ khí lò để trở thành V2O5, quá trình mục rỉ cứ thế tiếp diễn. Thí nghiệm cho thấy, V2O5 bám lên bề mặt có nhiệt độ trên 550oC trong 2000 giờ có thể ăn mòn bề mặt ấy sâu khoảng 1mm. 56 NỒI HƠI TÀU THỦY 3.3. TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Cân bằng nhiệt nồi hơi Trong khi tính nhiệt, phải tính các tổn thất nhiệt, từ đó tính ra hiệu suất nồi hơi, lượng tiêu dùng chất đốt. Nhiệt lượng QH (đối với 1kg chất đốt) do chất đốt cấp vào buồng đốt chỉ có một phần Q1 được sử dụng có ích (nhiệt lượng có ích), có nghĩa là nhiệt lượng để biến nước thành hơi; phần còn lại là nhiệt lượng tổn thất bao gồm: tổn thất nhiệt Q2 do khói lò mang đi, tổn thất nhiệt hóa học Q3 do cháy không hoàn toàn, tổn thất nhiệt cơ học Q4, tổn thất nhiệt ra môi trường Q5, tổn thất nhiệt Q6 do tro xỉ lò còn nóng, do xả nước nồi ra ngoài. Đối với nồi hơi đốt dầu thì Q4 = 0, Q6 = 0. QH = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 + Q6 Hay: (kJ/kg) 100% = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 (3-5a) (3-5b) 3.3.1. Tổn thất nhiệt do khói lò q2 Khi khói lò ra ống khói, nhiệt độ khói lò còn cao hơn nhiệt độ không khí lạnh cấp lò nên gây ra tổn thất nhiệt q2. (3-6) Trong đó: Vk – Lượng khí lò (kể cả hơi ẩm trong khí lò ) do đốt 1kg chất đốt sinh ra (m3tc/kg). Ckh – Nhiệt dung riêng của khói lò, Ckh = 0,323 + 0,000018kh (kCal/m3tcđộ) tkkl – Nhiệt độ không khí lạnh (oC). kh – Nhiệt độ khói lò (oC). 57 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Đối với nồi hơi đốt dầu, khi có số liệu phân tích khói lò, ta có thể tính Q2 như sau: (3-7) Tổn thất nhiệt q2 là tổn thất nhiệt lớn nhất, nó vào khoảng 512% nhiều khi tới 2025%. Trị số của q2 phụ thuộc vào nhiệt độ khói lò, hệ số không khí thừa, tải trọng, thiết bị buồng đốt, các biện pháp làm giảm bớt q2 là: 1. Nếu có điều kiện nên tăng diện tích mặt hấp nhiệt tiết kiệm (bộ tận dụng nhiệt hâm nước và bộ sưởi không khí). Đây là biện pháp chính. 2. Giữ cho bề mặt hấp nhiệt sạch cáu cặn và muội. 3. Đốt lò với hệ số không khí thừa thích hợp cho kiểu buồng đốt, loại chất đốt và tải trọng nồi hơi. 4. điều chỉnh thiết bị buồng đốt cho phù hợp, đốt nồi đúng cách. 5. Bố trí các tấm dẫn khí (với nồi hơi ống nước) sao cho khí lò quét qua khắp các mặt hấp nhiệt đối lưu và phải sửa chữa ngay khi bị cháy hỏng. Bảng 3.1. Nhiệt độ khói lò kh của nồi hơi tàu thủy. Loại nồi hơi kh, oC Nồi hơi ống nước nhiệt tải cao 250350 Nồi hơi ống nước nhiệt tải bình thường 150250 Nồi hơi ống lửa không có bộ sấy không khí 250400 Nồi hơi ống lửa có bộ sấy không khí 200280 58 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Giảm được nhiệt độ khói lò sẽ giảm được tổn thất nhiệt do khói lò q2. Song nếu hạ thấp kh đến dưới điểm sương, sẽ làm cho hơi nước trong khói lò ngưng đọng trên mặt hấp nhiệt tiết kiệm, làm mục rỉ nhanh chóng các bộ phận này. Để đảm bảo cho khi nhẹ tải nhất tức là lúc nhiệt độ khói lò thấp nhất kh vẫn không được nhỏ hơn điểm sương, nói chung thường chọn kh lớn hơn 155oC cho khi tải trọng bình thường. Riêng một số nồi hơi cho phép kh nhỏ hơn 155oC, khi ấy các bộ phận hấp nhiệt tiết kiệm được chế tạo bằng vật liệu khó mục rỉ hoặc được rắc hóa chất (ví dụ: hỗn hợp 34% CaO, 20,8% MgO, 38,6% CO2) vào chất đốt hoặc vào dòng khí lò trước bộ sưởi không khí ở chế độ nhẹ tải. 3.3.2. Tổn thất hóa học q3 Khi thiết bị buồng đốt không tốt, khi đốt lò với nhiệt độ buồng đốt quá thấp, hoặc đốt với hệ số không khí thừa quá bé, sẽ làm cho các phản ứng cháy không hoàn toàn, trong khói lò bay lên trời có các chất khó còn cháy được như CO, H2, CH4 và cácbua hyđrô. Đối với buồng đốt có cấu tạo và thiết bị đốt, cách đốt khéo léo q3 = 0,51% ngược lại có thể tới 910%. q3 có thể được tính gần đúng như sau, theo số liệu phân tích khói lò: (3-8) q3 = 3,2CO (%) Trong đó: CO – Nồng độ khí CO trong khói lò (%). Ta thấy rằng khi nồng độ khí CO trong khói lò tăng 1% thì q3 tăng 45%. Chú ý rằng khi lấy mẫu khói lò để phân tích nồng độ CO, phải lấy mẫu tại các điểm cách đều nhau trên một mặt cắt của đường khói. Khi đường khói bị hỏng nặng, phải lấy mẫu khí lò tại các nơi gần buồng đốt. 59 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Với nồi hơi đốt dầu, khi thay đổi tải q3 biến đổi rất ít nên có thể lấy cùng một trị số q3 cho mọi tải trọng. 3.3.3. Tổn thất nhiệt ra ngoài trời q5 Do nhiệt độ bề mặt vỏ nồi hơi, bề mặt bầu nồi, đường ống cao hơn nhiệt độ khí trời, nên gây ra tổn thất q5. Tổn thất q5 sẽ được giảm bớt nếu vỏ nồi hơi, bầu nồi, đường khí lò được bọc cách nhiệt dầy và khô, hoặc sử dụng vỏ hai lớp (ở giữa hai lớp có không khí cấp lò đi qua) để tránh rò rỉ hơi và nước. Khi tính nhiệt có thể chọn q5 theo bảng sau: Bảng 3.2. Tổn thất nhiệt q5 của một số loại nồi hơi Loại nồi hơi q5 (%) Nồi hơi cỡ nhỏ 23,5 Nồi hơi ống nước 2 đường khí 33,5 Nồi hơi ống nước 1 đường khí 35 Nồi hơi ống lửa có bộ sấy không khí 25 Khi tính nghiệm nhiệt, q5 có thể tính gần đúng như sau: (3-9) Trong đó: F – diện tích bề mặt ngoài nồi hơi (m2). 400 – nhiệt lượng tổn thất trên 1m2 bề mặt ngoài của nồi hơi (kCal/m2h). 30000 – nhiệt lượng tổn thất tại các bề mặt bầu nồi hộp ống (kCal/h). 60 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Khi thay đổi tải, ta sử dụng công thức quy đổi: (3-10) Trong đó: q5, Bt – tổn thất nhiệt ra ngoài và lượng chất đốt ở 100% tải. , tải. – tổn thất tản nhiệt ra ngoài và lượng tiêu chất đốt ở nhẹ 61 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Chương 4. 4.1. Kết cấu nồi hơi tàu thủy Nồi hơi phụ tàu thủy 4.1.1. Nồi hơi hình trụ ống lửa nằm (Scotch boiler) 1. Thân nồi hơi; 2. Đinh chằng dài; 3. Ống lửa chằng; 4. Ống lửa thường; 5. Buồng đốt; 6. Vị trí lắp thiết bị buồng đốt; 7. Cửa thăm; 8. Đinh chằng ngắn; 9. Thiết bị buồng đốt; 10. Hộp lửa; 11. Ống thủy; 12. Mã đỉnh hộp lửa; 13. Cửa lấy hơi ra; 14. Ống khói. Hình 4.1. Nồi hơi Scotch. 62 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Trong nhiều năm trước đây, nồi hơi Scotch được sử dụng rộng rãi dưới tàu thủy do cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng. Hiện nay loại nồi hơi này thường được sử dụng trên bộ do kích thước cồng kềnh, không thuận lợi bố trí dưới tàu thủy và tính cơ động không cao (thời gian từ khi đốt lò đến khi sinh hơi đủ áp suất định mức dài). Các bộ phận chính của nồi hơi bao gồm vỏ hình trụ nằm ngang, bên trong có buồng đốt, hộp lửa và cụm ống lửa nằm. Buồng đốt dạng hình trụ có vách gợn sóng để bù giãn nở nhiệt khi đốt. Số lượng buồng đốt phụ thuộc vào kích thước nồi hơi. Nồi hơi có đường kính tới 4m có thể được trang bị hai buồng đốt, những nồi hơi lớn hơn có thể lắp ba buồng đốt. Hộp lửa vừa là nơi diễn ra quá trình cháy của nhiên liệu, vừa là nơi phân phối khí lò vào các ống lửa. Hộp lửa có dạng hình hộp bán nguyệt, hoặc hai nửa hình hộp bán nguyệt, phía dưới nối với cuối buồng đốt, phía trên là mặt sàng nối với các ống lửa. Trên đỉnh hộp lửa có mã đỉnh hộp lửa vừa làm kín hộp lửa vừa có tác dụng bảo vệ nồi hơi khi bị cạn nước nhờ nút bằng kim loại dễ nóng chảy. Hộp lửa được gia cố với vỏ nồi nhờ các đinh chằng ngắn. Các ống lửa nằm là nơi dẫn khói lò đi qua để trao nhiệt cho nước. Một đầu ống lửa nối với mặt sàng của hộp lửa, đầu kia nối với mặt sàng trước. Có hai loại ông lửa: ống lửa thường và ống lửa chằng. Các ống lửa thường có đường kính vào khoảng 65mm và độ dày 5mm. Chúng được nong chặt hai đầu vào hai mặt sàng, đầu phía hộp lửa sau khi nong được làm loe miệng, hoặc có thể được hàn từng điểm với vách hộp lửa (Hình 3.2). Đầu phía mặt sàng trước thường được nong để có đường kính lớn hơn, điều này cho phép dễ dàng rút ống về phía này khi sửa chữa, ngay cả khi có lớp cáu cặn bám ở bề mặt ngoài ống. Một số trường hợp đầu phía mặt sàng trước được làm dài ra một đoạn khoảng 12mm. Điều này cho phép nong lại ống khi đầu phía hộp lửa bị cháy làm mỏng mối ghép với hộp lửa. Khi đó người ta rút ống ra, vệ 63 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng sinh sạch sẽ, cắt bỏ phần mối ghép bị cháy hỏng, đẩy ống sâu về phía hộp lửa và nong lại. Các ống lửa chằng có nhiệm vụ chằng giữ các mặt sàng với nhau. Hai đầu các ống lửa chằng có đường kính ngoài lớn hơn và có ren để bắt vào các lỗ ren trên các mặt sàng. Sau khi bắt ren đồng thời vào hai mặt sàng, hai đầu ống lửa chằng được nong chặt, đầu phía mặt sàng trước thường được lắp êcu. Hình 4.2.Mối lắp ráp ống lửa thường và ống lửa chằng. Thiết bị buồng đốt được lắp ở mặt trước buồng đốt. Nhiên liệu được phun sương vào trong buồng đốt, hoà trộn với không khí, cháy, sinh nhiệt. Một phần nhiệt được truyền cho nước bao bên ngoài buồng đốt. Hỗn hợp khí cháy sau đó đi vào hộp lửa, ở đây nhiên liệu tiếp tục cháy, một phần nhiệt được truyền cho nước bao xung quanh hộp lửa. Khí cháy sau đó được chia vào trong các hộp lửa, ở đây quá trình truyền nhiệt cho nước tiếp tục diễn ra, khí lò lưu động một lượt dọc theo các ống lửa rồi thoát ra ống khói. Nước trong nồi hơi bao xung quanh buồng đốt, hộp lửa và các ống lửa nhận nhiệt của khí cháy, sôi và sinh hơi, lượng hơi sinh ra nổi lên, tách ra ở không gian hơi phía trên và được đưa đi sử dụng. Nước được bổ xung định kỳ cho nồi hơi nhờ bơm cấp nước. Trên thân nồi hơi và mặt trước được bố trí các nắp cửa thăm để kiểm tra không gian nước. Nồi hơi Scotch ở Hình 3.1 còn được gọi là nồi hơi ống lửa quét hai lần, có nghĩa là khí lò có hai lần trao nhiệt cho nước, lần thứ nhất ở bu`ồng đốt cùng với hộp lửa và lần thứ hai là ở các ống lửa. Với nồi hơi cỡ 64 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng lớn, số lần trao nhiệt có thể tăng lên bằng cách bố trí thêm các cụm ống và hộp lửa như thể hiện trên Hình 3.3. Hình 4.3. Nồi hơi ống lửa quét ba lần và nồi hơi ống lửa quét bốn lần. Ở nồi hơi ống lửa quét ba lần, khí lò sau khi đi qua cụm ống lửa thứ nhất sẽ đi vào hộp lửa thứ hai rồi tiếp tục đi qua cụm ống lửa thứ hai trước khi vào ống khói. Với nồi hơi ống lửa quét bốn lần, số cụm ống lửa và số hộp lửa tăng lên một so với nồi hơi ống lửa quét ba lần. Nồi hơi ống lửa quét bốn lần cũng là nồi hơi có số lần trao nhiệt tối đa, kích cỡ và công suất là lớn nhất. 65 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Nồi hơi Scotch có các ưu và nhược điểm sau: Các ống lửa thẳng nên thuận lợi cho việc vệ sinh muội bên trong ống. Không cần chất lượng nước nồi hơi cao do tuần hoàn đơn giản. Năng suất, thông số hơi thấp do tỷ lệ bề mặt trao đổi nhiệt thấp và hình dáng nồi hơi không thuận lợi cho tuần hoàn. Thời gian nhóm lò lấy hơi lâu do lượng nước trong bầu nồi lớn. Tuy nhiên do lượng nước trong nồi hơi lớn nên năng lực tiềm tàng lớn. Lượng nước trong nồi hơi lớn nên nếu xảy ra sự cố, mức độ nghiêm trọng sẽ rất cao. Do chiều cao không gian hơi khá lớn nên chất lượng hơi bão hoà sinh ra khá tốt. Do kích thước chiều ngang lớn nên cồng kềnh, không thuận lợi cho bố trí dưới tàu thủy. Nồi hơi Scotch thường được ứng dụng làm nồi hơi phụ phục vụ hâm sấy nhiên liệu và sinh hoạt cho một số tàu Diesel. Do có kích thước dạng hình trụ đặt nằm nên loại nồi hơi này không thuận tiện cho việc bố trí ở khu vực thượng tầng ống khói. Khi sử dụng trên tàu thủy, loại nồi hơi này thường được dùng làm làm nồi hơi phụ trong hệ thống liên hợp nồi hơi phụ - bộ tận dụng nhiệt khí xả (xem phần sau). Trong trường hợp này nồi hơi phụ có thể bố trí ở nơi thuận tiện, không phụ thuộc vào vị trí của bộ tận dụng nhiệt khí xả (đặt trên đường khí xả của động cơ Diesel chính). 66 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 4.1.2. Nồi hơi thẳng đứng ống lửa nằm (Cochran boiler) Nồi hơi Cochran có dạng hình trụ đặt đứng (Hình 4.4). Đây là loại nồi hơi phổ biến, rất phù hợp cho nhu cầu sinh hơi bão hoà thông số thấp, phục vụ các nhu cầu hâm sấy nhiên liệu và sinh hoạt trên tàu. 1. Vỏ nồi hơi; 2. Cửa thăm; 3. Mã nối; 4. Cửa kiểm tra; 5. Ống lửa; 6. Buồng đốt; 7. Ống khói; 8. Cửa hộp khói; 9. Đất chịu lửa; 10. Vị trí lắp thiết bị buồng đốt. Hình 4.4. Nồi hơi Cochran. Buồng đốt nồi hơi được bố trí ở phía dưới. Mặt trước buống đốt lắp thiết bị đốt dầu (oil burner). Vách phần dưới buồng đốt được cách nhiệt bởi lớp gạch chịu lửa. Lớp gạch chịu lửa có tác dụng bảo vệ lớp vỏ kim loại ở phần dưới buồng đốt khỏi bị quá nhiệt. Điều này rất quan trọng bởi phần vách phía dưới buồng đốt tiếp xúc với phần không gian nước hẹp, lưu động kém và là nơi lắng đọng cáu cặn nên cường độ trao đổi nhiệt kém. Vách phần trên buồng đốt có dạng hình bán cầu tiếp xúc trực tiếp với nước nồi, tạo nên bề mặt trao đổi nhiệt, nên không cần bố 67 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng trí lớp gạch cách nhiệt. Phía trên buồng đốt có cửa nối với hộp lửa. Các ống lửa được lắp ghép thành cụm nhờ hai mặt sàng và được đặt nằm ngang phía trên buồng đốt. Để gia cường cụm ống lửa và hai mặt sàng, người ta sử dụng các ống lửa chằng được lắp ren với hai mặt sàng. Thân nồi hình trụ, phần đỉnh có hình bán cầu, cùng với buồng đốt hình bán cầu tạo nên cấu trúc cứng vững, ổn định, không cần bố trí các thanh chằng. Các ống lửa thẳng và tương đối ngắn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vệ sinh ống. Phần đỉnh bán cầu là không gian hơi, có trang bị lắp cửa thăm để có thể kiểm tra bề mặt trao đổi nhiệt phía không gian nước, phần phía dưới có thăm để kiểm tra bề mặt trao đổi nhiệt phía dưới. Phần mặt trước hộp lửa có bố trí cửa thăm để vệ sinh các ống lửa. Cửa này có thể mở ra dễ dàng nhờ khớp bản lề. Nắp hộp khói cũng có thể tháo ra để vệ sinh và kiểm tra phần mặt sàng sau. Nhiên liệu là không khí được đưa vào buồng đốt nhờ bộ đốt dầu. Ban đầu hỗn hợp nhiên liệu cháy nhờ tia lửa điện do bộ đánh lửa tạo ra. Sau khi đã cháy, nhiên liệu và không khí tiếp tục được phun vào buồng đốt và cháy nhờ ngọn lửa duy trì trong buồng đốt. Khí lò tạo ra trao một phần nhiệt cho nước bao phía ngoài buồng đốt. Khí lò sau đó đi vào hộp lửa, chia vào các ống lửa nằm ngang, lưu động một lượt dọc theo các ống lửa rồi thoát ra ngoài hộp khói và theo ống khói xả ra ngoài. Nước bao phủ toàn bộ các bề mặt buồng đốt, hộp lửa, ống lửa và hộp khói. Phần nước tiếp xúc với các bề mặt trao nhiệt nhận nhiệt từ khí lò, sinh ra hơi, phần hơi sinh ra thoát lên không gian hơi và được đưa đi sử dụng. Lượng nước đã hoá thành hơi được bổ xung vào phần không gian nước nhờ bơm cấp nước nồi. Loại nồi hơi này có các ưu nhược điểm sau: Cấu tạo các bề mặt trao đổi nhiệt đơn giản nên không yêu cầu chất lượng nước nồi hơi cao. 68 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Các cụm ống lửa ngắn, bố trí thuận tiện cho việc vệ sinh, bảo dưỡng. Lượng nước trong nồi hơi không lớn nên thời gian đốt lò sinh hơi tương đối ngắn, an toàn khi gặp sự cố. Có cấu tạo thẳng đứng, thuận lợi cho việc bố trí trên tàu thủy. Chiều cao không gian hơi cao nên chất lượng hơi bão hoà sinh ra tốt. Loại nồi hơi này không có bộ sấy hơi và các bộ hấp nhiệt tiết kiệm, nên chỉ phù hợp cho việc sử dụng làm nồi hơi phụ trên các tàu có động cơ Diesel chính lai chân vịt. Nồi hơi Cochran còn có thể được thiết kế thêm phần ống lửa sử dụng khí xả để trở thành nồi hơi liên hợp (composite boiler). 4.1.3. Nồi hơi thẳng đứng ống lửa đứng Nồi hơi thẳng đứng ống lửa đứng có cấu tạo tiêu biểu như chỉ ra ở Hình 4.5. Thân nồi hơi có dạng hình trụ thẳng đứng. Phần chính của nồi hơi được tạo bởi buồng đốt, cụm ống lửa thẳng đứng và hộp khói. Buồng đốt có dạng hình trụ đặt ở phía dưới. Toàn bộ buồng đốt được tiếp xúc trực tiếp với nước, trừ mặt dưới, do không có nước tuần hoàn nên được cách nhiệt bởi lớp gạch chịu lửa. Cụm ống lửa thẳng đứng nối mặt trên của buồng đốt với mặt dưới của hộp khói. Các ống lửa thẳng đứng có thể có dạng xoắn ốc để tăng cường mức độ xoáy lốc của khí lò chuyển động trong ống, tăng cường độ trao đổi nhiệt. Toàn bộ thân nồi, buồng đốt, cụm ống lửa và hộp khói tạo thành một kết cấu cứng vững, không cần các kết cấu gia cường. Hai mặt sàng của buồng đốt và hộp khói có dạng mặt phẳng nên thường được gia cường nhờ các ống lửa chằng. Các ống lửa chằng được loe miệng và hàn vào mặt sàng. 69 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Trên thân nồi, ở một vài vị trí được bố trí các nắp cửa thăm, cửa kiểm tra để thuận lợi cho việc kiểm tra, vệ sinh các bề mặt trao đổi nhiệt khi nồi hơi dừng. Bộ đốt dầu được bố trí ở mặt trước buồng đốt. Hỗn hợp nhiên liệu và không khí được phun vào buồng đốt và đốt cháy. Khí lò tạo ra trao nhiệt cho nước bao bên ngoài buồng đốt. Khí lò được chia vào các ống lửa thẳng đứng, tiếp tục trao nhiệt cho nước bao bên ngoài các ống lửa rồi thoát ra ống khói. Nước bao bên ngoài buồng đốt, các ống lửa, nhận nhiệt của khí lò, sinh hơi. Phần hơi tạo ra nổi lên không gian hơi và được đưa đi sử dụng. Phần nước đã sinh hơi được bổ xung vào phần không gian nước nhờ bơm cấp nước nồi hơi. 1. Đất chịu lửa; 2. Buồng đốt; 3. Màn vách ống; 4. Vỏ nồi hơi; 5. Ống nước xuống; 6. Ống lửa; 7. Ống thủy; 8. Miệng ống khói; 9. Đường hơi ra; 10. Van an toàn; 11. Cửa kiểm tra; 12. Thiết bị buồng đốt. Hình 4.5. Nồi hơi thẳng đứng ống lửa đứng. 70 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Loại nồi hơi này có các ưu nhược điểm sau: Có cấu tạo đơn giản nên không yêu cầu chất lượng nước nồi hơi cao. Các cụm ống lửa thẳng, bố trí thuận tiện cho việc vệ sinh, bảo dưỡng, sức cản khí lò nhỏ. Có cấu tạo thẳng đứng, thuận lợi cho việc bố trí trên tàu thủy. Chiều cao không gian hơi cao nên chất lượng hơi bão hoà sinh ra tốt. Ngoài phiên bản nồi hơi phụ đốt dầu như trên, loại nồi hơi này còn có thể được thiết kế làm nồi hơi khí xả hoặc nồi hơi liên hợp đốt dầu-khí xả để lắp đặt trên các tàu có động lực chính là Diesel (xem phần nồi hơi liên hợp). Khi dùng làm nồi hơi khí xả, khoang buồng đốt không được lắp bộ đốt dầu mà bố trí cửa nối với đường khí xả của động cơ Diesel chính. Trường hợp dùng làm nồi hơi liên hợp khoang buồng đốt được chia làm hai phần: một phần làm buồng đốt; một phần nối với đường khí xả của động cơ Diesel. Như vậy sẽ có hai cụm ống lửa đứng: một cụm cho nồi hơi phụ; một cụm cho nồi hơi khí xả, mỗi cụm có đường ống khói riêng. Cấu tạo như vậy cho phép nồi hơi phụ và nồi hơi khí xả có thể hoạt động đồng thời. 4.1.4. Nồi hơi thẳng đứng ống nước đứng Nhiên liệu và không khí được phun vào và cháy trong buồng đốt. Khí lò sinh ra trao một phần nhiệt cho nước ở trong màn vách ống bao xung quanh buồng đốt. Khí lò sau đó qua ống thoát đi lên phía trên, quét ngang qua cụm ống nước đứng, tiếp tục trao nhiệt cho nước trong ống, rồi thoát ra ống khói. Các cụm ống nước thường được bố trí thành hàng hình xoắn ốc, để tạo ra quỹ đạo xoắn ốc cho dòng khí lò, tăng quãng đường và thời gian trao đổi nhiệt của khí lò cho các ống nước. Nước ở trong các ống của màn vách ống nhận nhiệt bức xạ từ khí lò 71 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng trong buồng đốt, sinh hơi, lượng hơi sinh ra thoát lên khoang nước. Nước trong khoang nước cũng như trong các ống nước thẳng đứng tiếp tục nhận nhiệt của khí lò, sinh hơi. Lượng hơi sinh ra thoát lên khoang hơi và được đưa đi sử dụng. Nước ở phần dưới của khoang hơi theo các ống xuống, được bố trí ở bên ngoài nồi hơi, đi xuống ống góp để bổ xung cho lượng nước đã sinh hơi. 1. Ống góp; 2. Màn vách ống; 3. Vỏ nồi hơi; 4. Thanh chằng dọc; 5. Ống dẫn khí; 6. Ống nước; 7. Ống khói; 8. Ống nước xuống; 9. Vị trí lắp thiết bị buồng đốt; 10. Đất chịu nhiệt. Hình 4.6. Nồi hơi thẳng đứng ống nước đứng. Loại nồi hơi này có các đặc điểm sau: Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng. Tuần hoàn đơn giản, các ống nước thẳng đứng nên không đòi hỏi chất lượng nước cao. 72 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Các ống nước thẳng đứng, lại bố trí các ống xuống bên ngoài nên thuận lợi cho tuần hoàn tự nhiên. Các ống nước tạo nên diện tích bề mặt trao đổi nhiệt lớn, nên kích thước nồi hơi tương đối gọn nhẹ. Có cấu tạo thẳng đứng, thuận lợi cho việc bố trí trên tàu thủy. Loại nồi hơi này được dùng làm nồi hơi phụ, sinh hơi phục vụ cho các nhu cầu trên các tàu động lực Diesel. Trong nhiều trường hợp nồi hơi này được sử dụng kết hợp với một bộ tận dụng nhiệt khí xả trong hệ thống liên hợp nồi hơi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả (xem phần sau). Khi đó nồi hơi phụ (khoang hơi) sẽ đóng vai trò là khoang tách hơi cho bộ tận dụng nhiệt khí xả khi tàu chạy hành trình (bộ tận dụng nhiệt khí xả làm việc). Hình 4.7 mô tả cấu tạo của một loại nồi hơi thẳng đứng ống nước đứng khác: Nồi hơi của hãng Muira, Nhật bản. Loại nồi hơi này được sử dụng rất phổ biến làm nồi hơi phụ trong hệ thống liên hợp nồi hơi phụbộ tận dụng nhiệt khí xả trên các tàu do Nhật bản thiết kế. Thân nồi hơi có dạng hình trụ đứng, phía dưới là trống nước, phía trên là trống hơi. Trống nước và trống hơi đều có dạng vành khăn có thiết diện chữ nhật. Hai hàng ống nước thẳng đứng nồi liền trống nước và trống hơi. Hai hàng ống nước hình thành hai màn ống hình trụ có hai cung hở đối xứng nhau tạo ra đường đi của khói lò. Thiết bị buồng đốt được bố trí phía trên nồi hơi. ống khói được bố trí ở bên vách, phía có bố trí cung hở của hàng ống bên ngoài. Nguyên lý hoạt động như sau: Phía khí lò: Nhiên liệu và không khí được cấp vào buồng đốt từ phía trên, cháy và trao nhiệt bức xạ cho nước trong ống của hàng ống tiếp xúc với buồng đốt. Sau đó thoát qua cung khuyết của hàng ống phía trong quét qua khe hở giữa hai hàng ống, trao nhiệt cho nước bên trong 73 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng hai hàng ống. Sau đó khí lò lưu động tới cung khuyết của hàng ống bên ngoài rồi thoát ra ngoài qua ống khói. 1. Quạt gió; 2. Bướm gió; 3. Nắp nồi hơi; 4. Trống hơi; 5. Mặt sàng trên; 6. Loa gió; 7. Đất chịu lửa; 8. Trống nước; 9. Bulông nối; 10. Biến áp đánh lửa; 11. Súng phun; 12. Hộp gió; 13. Vỏ ngoài; 14. Vỏ trong; 15. Ống nước; 16. Hộp ống khói; 17. Mặt sàng dưới. Hình 4.7. Nồi hơi thẳng đứng ống nước đứng của hãng MIURA. 74 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Phía nước: Nước trong các ống nước đứng nhận nhiệt của khí lò quét bên ngoài. Hàng ống phía trong do tiếp xúc với buồng đốt, nhận nhiệt bức xạ, sôi và sinh hơi. Hỗn hợp nước, hơi có tỷ trọng nhẹ đi lên trống hơi. Nước trong hàng ống phía ngoài nhận nhiệt ít hơn, chưa đủ sôi nên có tỷ trọng nặng hơn chảy xuống khoang nước, bù vào lượng nước đã sinh hơi tạo thành vòng tuần hoàn. Tại không gian hơi, hơi nước được tách ra và được dẫn đi sử dụng. Nước bổ xung cho phần nước đã sinh hơi được bơm cấp nước nồi cấp vào trống nước. Đặc điểm kết cấu và ứng dụng: Các ống nước thẳng đứng nên thuận lợi cho việc vệ sinh ống. Không cần chất lượng nước nồi hơi cao do ống nước to, thẳng, tuần hoàn đơn giản. Năng suất, thông số hơi thấp do tỷ lệ bề mặt trao đổi nhiệt thấp. Lượng nước trong nồi hơi lớn lên nổ khi nổ vỡ nguy hiểm. Do chiều cao không gian hơi khá lớn nên chất lượng hơi bão hoà sinh ra khá tốt. Thường ứng dụng làm nồi hơi phụ trong hệ thống liên hợp nồi hơi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả, phục vụ hâm sấy nhiên liệu và sinh hoạt cho một số tàu Diesel. a) Nồi hơi tuần hoàn cưỡng bức Việc sử dụng tuần hoàn cưỡng bức trong nồi hơi cho phép tăng tốc độ chuyển động của dòng nước, dẫn đến tăng cường độ trao đổi nhiệt. Điều này cho phép giảm trọng lượng, kích thước của nồi hơi. Mặc dù có rất nhiều loại nồi hơi tuần hoàn cưỡng bức, nhưng chúng đều có chung đặc điểm kết cấu như được chỉ ra ở Hình 4.8. Hệ thống nồi hơi này bao gồm thân nồi hơi, buồng đốt, các cụm ống nước, bầu tách hơi, bơm tuần hoàn và bơm cấp nước. 75 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Thân nồi hơi thường có dạng hình trụ, là nơi đặt buồng đốt và các cụm ống nước. Các cụm ống nước thường được uốn thành tựng cuộn, đặt bên trong thân nồi. Một số trường hợp sử dụng các cuộn ống đặt chồng lên nhau, nối chung vào các ống góp thẳng đứng. 1. Bướm gió; 2. Quạt gió; 3. Đất chịu nhiệt; 4. Buồng đốt; 5. Cuộn ống nước; 6. Vỏ nồi hơi; 7. Ống khói; 8. Két nước cấp; 9. Van hơi chính; 10. Van an toàn; 11. Ống thủy; 12. Bầu hơi; 13. Van xả đáy; 14. Súng phun; 15. Đường cấp nhiên liệu; 16. Van xả cặn; 17. Bơm tuần hoàn; 18. Bơm nước cấp. Hình 4.8. Nồi hơi tuần hoàn cưỡng bức. Nhiên liệu và không khí được cấp vào và đốt cháy trong buồng đốt. Khí lò tạo ra quét dọc qua các chồng ống nước, trao nhiệt cho nước ở trong ống, rồi thoát ra ống khói. Nước trong các ống lưu động cưỡng bức nhờ bơm tuần hoàn hút nước từ phía dưới của bầu tách hơi. Nước được cấp cho các cụm ống từ phía trên để đảm bảo nhiệt độ nước tăng dần. Dọc theo đường lưu động của nước trong ống, nhiệt độ nước tăng 76 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng dần, sôi và sinh hơi. Hỗn hợp nước và hơi được đưa tới bầu tách hơi, ở đây phần hơi được tách ra, nổi lên phía trên và được đưa đi sử dụng. Lượng nước ở phía dưới tiếp tục được bơm tuần hoàn hút và đưa đến cụm ống nước. Bơm cấp nước có nhiệm vụ cấp nước vào bầu tách hơi (phần không gian nước) để bổ xung cho lượng nước đã sinh hơi. Loại nồi hơi này không cần trống nước, nên lượng nước trong nồi hơi tương đối nhỏ. Vì vậy chúng an toàn hơn nhiều so với các loại nồi hơi khác. Nhờ lượng nước nhỏ cộng với cường độ trao đổi nhiệt cao do tuần hoàn cưỡng bức, nên loại nồi hơi này thường có trọng lượng, kích thước nhỏ hơn nhiều so với các nồi hơi tuần hoàn tự nhiên có cùng công suất. Lượng nước nhỏ cũng giúp cho thời gian sinh hơi nhanh, điều này là đặc biệt hữu ích trong các trường hợp cần cung cấp hơi nhanh. Nhờ tuần hoàn cưỡng bức, loại nồi hơi này cho phép sử dụng các ống nước cong và có đường kính nhỏ hơn, nên tăng diện tích bề mặt trao nhiệt trên một đơn vị thể tích, tăng cường độ trao đổi nhiệt nhờ đối lưu cưỡng bức. Nhờ sử dụng tuần hoàn cưỡng bức, con cho phép sử dụng buồng đốt tăng áp, tăng nhiệt tải dung tích buồng đốt, giảm trọng lượng, kích thước của nồi hơi. Tuy nhiên, do các cụm ống nước cong, nhỏ, cường độ bay hơi trên một đơn vị diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cao, nên đòi hỏi chất lượng nước nồi hơi cao. Đồng thời cần đặc biệt chú ý cấp nước cho các cụm ống nước khi nồi hơi làm việc ở các chế độ quá độ hay khi khởi động. Để đảm bảo hoạt động an toàn, loại nồi hơi này thường được trang bị một hệ thống tự động điều khiển, giám sát và bảo vê. Hệ thống này tự động đưa bơm tuần hoàn vào hoạt động khi đốt nồi hơi và tự động dừng nồi hơi khi nhiệt độ các cụm ống nước quá cao. 4.2. Nồi hơi khí xả, nồi hơi liên hợp Nhằm nâng cao hiệu suất chung của hệ động lực, người ta thường tìm cách tận dụng nguồn nhiệt thải của khí xả. Ví dụ trên các tàu thủy sử 77 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng dụng động cơ Diesel chính lai chân vịt, nguồn nhiệt thải từ khí xả có thể tới 30%. Việc sử dụng các thiết bị tận dụng nhiệt khí xả để sinh hơi (nồi hơi khí xả - exhaust gas boiler, bộ tận dụng nhiệt khí xả - exhaust gas economizer) cho phép tận dụng từ 20% đến 60% nguồn nhiệt khí thải từ động cơ Diesel chính. Mức độ tận dụng nhiệt phụ thuộc vào cấu hình và độ phức tạp của hệ thống tận dụng nhiệt. Những hệ thống tận dụng nhiệt đơn giản chỉ sản xuất hơi cho mục đích hâm sấy nhiên liệu nặng, hâm nước nóng hoặc các mục đích sinh hoạt khác. Những hệ thống phức tạp có thể sử dụng hơi từ nồi hơi khí xả cho việc lai các tua bin phụ để cung cấp điện phục vụ con tàu hoặc lai các bơm (bơm ballast, bơm hàng lỏng). Những hệ thống tận dụng nhiệt khí xả có tua bin phụ thường có chi phí ban đầu khá lớn, do vậy chỉ phù hợp cho các tàu chuyên dụng, có trọng tải lớn (các tàu hàng rời, tàu dầu, tàu hoá chất, tàu khí hoá lỏng, dàn khoan, …). Các tàu này thường được thiết kế với thời gian hoạt động trên biển chiếm tỷ lệ lớn hoặc để chạy các tuyến xa. Thông thường công suất sinh hơi của các hệ thống tận dụng nhiệt khí xả là đủ lớn cho các tiêu dùng thông thường của con tàu khi chạy biển. Việc sử dụng nồi hơi phụ (nồi hơi đốt dầu) chỉ cần thiết khi tàu đậu ở các cảng, hoặc trong các trường hợp đặc biệt, khi hệ thống tận dụng nhiệt khí xả không cung cấp đủ cho nhu cầu tiêu dùng hơi. Một tác dụng khác khi lắp đặt hệ thống tận dụng nhiệt khí xả trên các tàu là chúng đóng vai trò như một bộ tiêu âm cho các động cơ Diesel. Các hệ thống tận dụng nhiệt khí xả thường được bố trí theo hai dạng: Nồi hơi liên hợp phụ-khí xả và hệ thống liên hợp nồi hơi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả. Ở dạng thứ nhất, hệ thống tận dụng nhiệt khí xả là một nồi hơi có hai phần: nồi hơi phụ đốt dầu và nồi hơi khí xả. Hai nồi hơi này được bố trí chung trong một thân, có cùng chung không gian hơi, không gian nước, chúng có thể hoạt động độc lập hoặc đồng thời. Do cả phần nồi hơi phụ đốt dầu và phần nồi hơi khí xả được bố trí trong cùng một 78 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng thân, nên nồi hơi liên hợp luôn được bố trí ở tầng trên, nơi bố trí đường ống khí thải của động cơ Diesel chính. Ở dạng thứ hai, hệ thống liên hợp nồi hơi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả bao gồm một nồi hơi phụ đốt dầu và một bộ tận dụng nhiệt khí xả được bố trí độc lập. Nồi hơi phụ có thể bố trí ở vị trí phù hợp trong buồng máy, còn bộ tận dụng nhiệt khí xả được bố trí trên đường khí thải của động cơ Diesel chính. Hai phần này được nối với nhau nhờ hệ thống đường ống và các thiết bị phục vụ khác. Phần dưới sẽ nghiên cứu một vài dạng nồi hơi liên hợp và hệ thống liên hợp nồi hơi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả. 4.2.1. Nồi hơi liên hợp ống lửa nằm (Cochran) Hầu hết các tàu Diesel đều được lắp đặt hệ thống tận dụng nhiệt khí xả để sinh hơi. Sản lượng hơi sinh ra của các hệ thống này hoàn toàn phụ thuộc vào lượng nhiệt thải từ động cơ Diesel chính. Vì vậy cần phải trang bị thêm cho hệ thống một nồi hơi phụ, để cung cấp hơi trong thời gian tàu dừng (động cơ chính không hoạt động). Một trong hai phương pháp là tích hợp với nồi hơi khí xả một nồi hơi đốt dầu để được một nồi hơi liên hợp. Trong hầu hết các trường hợp hệ thống này có chung không gian nước nhưng không gian khí lò thì được tách biệt. Như vậy nồi hơi phụ có thể hoạt động độc lập, bổ xung nhiệt khi động cơ chính chạy ở các chế độ nhẹ tải, thay thế nồi hơi khí xả khi động cơ chính dừng hoạt động. Điều này cho phép duy trì năng suất sinh hơi, không phụ thuộc vào chế độ hoạt động của động cơ chính. Nồi hơi phụ kiểu Cochran như Hình 4.9 có thể được tích hợp cụm ống lửa cho nồi hơi khí xả để trở thành nồi hơi liên hợp. Nồi hơi bao gồm hai phần: phần dưới bố trí buồng đốt và cụm ống lửa nằm của nồi hơi phụ, phần trên bố trí cụm ống lửa nằm của nồi hơi khí xả. 79 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 1. Nắp nồi hơi; 2. Cửa thăm; 3. Ống lửa; 4. Cửa kiểm tra; 5. Đường khí xả Diesel vào; 6. Buồng đốt; 7. Ống khói; 8. Cửa kiểm tra ống khói; 9. Đất chịu lửa; 10. Vị trí lắp thiết bị buồng đốt. Hình 4.9. Nồi hơi liên hợp ống lửa nằm kiểu Cochran. 80 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Nguyên lý hoạt động của nồi hơi này như sau: Phần nồi hơi phụ: Khi làm việc với nồi hơi phụ, nhiên liệu và không khí được đốt cháy trong buồng đốt nồi hơi trao nhiệt cho nước bao bên ngoài. Sau đó thoát lên hộp lửa và chia vào các ống lửa nằm. Khí lò tiếp tục trao nhiệt cho nước bên ngoài ống rồi thoát ra ngoài qua ống khói. Nước bên ngoài ống nhận nhiệt của khí lò, sôi, bốc hơi. Hỗn hợp nước, hơi có tỷ trọng nhẹ thoát lên không gian hơi. Phần hơi tách ra trên không gian hơi và được đưa đi sử dụng. Phần nồi hơi khí xả: Khi tàu chạy hành trình, khí xả từ động cơ Diesel chính được dẫn vào nồi hơi, chia vào các ống lửa, trao nhiệt cho nước bên ngoài ống sau đó thoát ra ngoài qua ống khói. Nước bên ngoài ống nhận nhiệt của khí xả, sôi, bốc hơi. Hỗn hợp nước, hơi có tỷ trọng nhẹ thoát lên không gian hơi. Phần hơi tách ra trên không gian hơi và được đưa đi sử dụng. Ngoài dạng kết cấu như hình bên trái, là kết cấu mà cả hai phần của nồi hơi đều sử dụng chung cụm ống trao nhiệt, nồi hơi liên hợp phụ khí xả Cochran còn có kết cấu dạng cụm ống tách riêng như hình bên phải. Với kết cấu dạng này, nồi hơi không tận dụng hết được toàn bộ diện tích bề mặt trao đổi nhiệt nếu chỉ sử dụng hoặc phần nồi hơi phụ, hoặc phần nồi hơi khí xả độc lập. Tuy nhiên, khi cần tăng cường lượng sinh hơi, ta có thể dùng song song cả nồi hơi phụ và nồi hơi khí xả mà không sợ hoạt động của phần nồi hơi phụ ảnh hưởng đến công tác của động cơ chính do chúng đã có các cụm ống trao nhiệt riêng. Đồng thời, nếu có sự cố xảy ra với một phần (nồi hơi phụ hoặc nồi hơi khí xả), ta vẫn có thể duy trì hoạt động của nồi hơi bằng phần còn lại. Thông thường các nồi hơi dạng này được trang bị hệ thống tự động điều khiển bộ đốt dầu theo áp suất hơi trong khoang hơi. Nhờ vậy, nồi hơi phụ được tự động đưa vào hoạt động khi áp suất trong khoang hơi 81 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng thấp. Như vậy, phần nồi hơi phụ có thể tự động làm việc để hỗ trợ phần nồi hơi khí xả khi động cơ Diesel chính chạy ở các chế độ tải thấp (khi manơ, điều động), hoặc thay thế khi động cơ chính dừng. Một số nồi hơi kiểu này có thể được thiết kế với hai cụm ống của nồi hơi khí xả, khi đó khí xả từ động cơ chính sẽ quét hai lượt, qua hai cụm ống, trước khi thoát ra ống khói. Đặc điểm kết cấu: Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng. Có kích thước gọn nhẹ, do bố trí hai nồi hơi trong một thân và theo chiều thẳng đứng. Không đòi hỏi chất lượng nước cao. Năng suất sinh hơi thấp do tỷ lệ bề mặt trao đổi nhiệt thấp. Thông số hơi thấp nhưng chất lượng hơi tốt do chiều cao không gian hơi lớn. Thời gian lấy hơi lâu do lượng nước trong nồi khá lớn. Tuy nhiên năng lực tiềm tàng lớn. 4.2.2. Nồi hơi liên hợp ống nước đứng Trên Hình 4.10 mô tả một dạng nồi hơi liên hợp ống nước đứng của hãng Aalborg. Thân nồi hơi có dạng hình trụ thẳng đứng chia làm hai phần: cụm ống nước đứng của nồi hơi phụ và cụm ống nước đứng của nồi hơi khí xả. Các cụm ống nước được liên kết qua hai mặt sàng tạo nên sự ngăn cách giữa không gian nước và không gian khí lò. Buồng đốt được bố trí phía dưới cùng. Nửa dưới nồi hơi có bố trí đường ống khói cho nồi hơi phụ. Nửa trên có bố trí đường khí xả từ động cơ Diesel vào và đường ống khói của nồi hơi khí xả. 82 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 1. Vỏ nồi hơi; 2. Đất chịu lửa; 3. Buồng đốt; 4. Ống nước của nồi hơi phụ; 5. Cửa kiểm tra; 6. Đường khí xả Diesel vào; 7. Ống nước của nồi hơi khí xả; 8. Thanh chằng dọc ; 9. Mặt sàng; 10. Ống khói của nồi hơi khí xả; 11. Ống thông không gian nước; 12. Ống khói của nồi hơi phụ; 13. Vị trí lắp thiết bị buồng đốt. Hình 4.10. Nồi hơi liên hợp ống nước đứng kiểu Aalborg. Nồi hơi phụ: Khi làm việc với nồi hơi phụ, nhiên liệu và không khí được đốt cháy trong buồng đốt nồi hơi, theo ống nối thoát lên khoang ống nước. Tại đây, khí lò quét ngang qua các ống nước thẳng đứng, trao nhiệt cho nước trong ống rồi thoát ra ngoài qua ống khói. Nước 83 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng trong các ống nước nhận nhiệt của khí lò sôi, bốc hơi. Hỗn hợp nước, hơi có tỷ trọng nhẹ thoát lên không gian hơi qua các ống nước của nồi hơi khí xả. Phần hơi tách ra trên không gian hơi và được đưa đi sử dụng. Phần nước bổ xung cho lượng nước đã sinh hơi theo ống nước to đi xuống. Nồi hơi khí xả: Khi tàu chạy hành trình, nồi hơi khí xả được đưa vào làm việc. Khí xả từ động cơ Diesel chính được dẫn vào nồi hơi, quét một lượng ngang các ống nước đứng, trao nhiệt cho nước trong ống, sau đó thoát ra ngoài qua ống khói. Nước trong các ống nước nhận nhiệt của khí xả sôi, bốc hơi. Hỗn hợp nước, hơi có tỷ trọng nhẹ thoát lên không gian hơi. Phần hơi tách ra trên không gian hơi và được đưa đi sử dụng. Phần nước bổ xung theo ống nước to đi xuống phía dưới cụm ống nước nồi hơi phụ, bù cho lượng nước đã sinh hơi. Đặc điểm kết cấu: Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng. Không đòi hỏi chất lượng nước cao. Năng suất sinh hơi thấp do tỷ lệ bề mặt trao đổi nhiệt thấp. Thông số hơi thấp nhưng chất lượng hơi tốt do chiều cao không gian hơi lớn. Thời gian nhóm lò lấy hơi lâu do lượng nước trong bầu nồi lớn. Tuy nhiên năng lực tiềm tàng lớn. Nồi hơi khá cao do chiều cao của hai cụm ống nước đứng. 4.2.3. Hệ thống liên hợp nồi hơi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả Một hệ thống liên hợp nồi hơi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả bao gồm một nồi hơi phụ và một bộ tận dụng nhiệt khí xả. Khác với nồi hơi liên hợp, ở hệ thống này nồi hơi phụ được bố trí độc lập so với bộ tận dụng nhiệt khí xả. Điều này cho phép dễ dàng bố trí nồi hơi phụ ở vị trí 84 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng thuận lợi trong buồng máy. Nồi hơi phụ sử dụng trong hệ thống liên hợp có thể là dạng ống lửa hoặc ống nước. 1. Nồi hơi phụ ; 2. Ống nước; 3. Bơm tuần hoàn; 4. Đường nước cấp; 5. Đường hơi đi sử dụng; 6. Bầu phân ly hơi; 7. Bộ tận dụng nhiệt khí xả; 8. Ống góp vào; 9. Ống góp ra; 10. Khí xả từ động cơ Diesel vào; 11. Cụm ống sinh hơi của bộ tận dụng nhiệt khí xả; 12. Cánh tản nhiệt. Hình 4.11. Hệ thống liên hợp nồi hơi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả. Các bộ tận dụng nhiệt khí xả thường có dạng cụm ống nước (Hình 4.11), được bố trí ngay trên đường ống xả của động cơ Diesel chính mà không có bướm hướng khí xả. Để tăng cường trao đổi nhiệt, các cụm ống của bộ tận dụng nhiệt khí xả có thể được bố trí cánh tản nhiệt. Với kết cấu như vậy hệ thống liên hợp nồi hơi khá gọn nhẹ, dễ bố trí trong buồng máy. Tuy nhiên, cần chú ý cấp nước tuần hoàn cho bộ tận dụng nhiệt, ngay cả khi máy chính hoạt động ở chế độ điều động, để tránh cháy hỏng cụm ống. Thông thường các bộ tận dụng nhiệt được chế tạo để có thể thay thế từng cụm ống hoặc thay toàn bộ khi các ống bị cháy hỏng. Một số bộ tận dụng nhiệt còn bố trí bộ sấy hơi để sản xuất hơi sấy dùng cho các tua bin phụ lai các máy phụ. Những hệ thống như vậy thường được bố trí để khoang hơi của nồi hơi phụ cũng đồng thời là bầu tách hơi của bộ tận dụng nhiệt khí xả. 85 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Những hệ thống liên hợp sản xuất hơi bão hoà thường được ứng dụng trên các tàu sử dụng động cơ Diesel chính lai chân vịt. Hơi bão hoà sinh ra chỉ để phục vụ mục đích hâm sấy nhiên liệu nặng, hâm nước, sưởi ấm và các mục đích sinh hoạt khác. Hình 4.11 cũng mô tả nguyên lý chung của một hệ thống liên hợp nồi hơi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả sản xuất hơi bão hoà. Hệ thống bao gồm nồi hơi phụ và bộ tận dụng nhiệt khí xả, lắp đặt trên đường khí xả của động cơ Diesel chính. Hệ thống thường được trang bị bơm tuần hoàn (hai bơm) để cung cấp nước cho các cụm ống của bộ tận dụng nhiệt khí xả. Nồi hơi phụ: Nồi hơi phụ được đưa vào hoạt động khi động cơ Diesel chính không hoạt động. Khi ấy không cần chạy bơm tuần hoàn cấp nước cho bộ tận dụng nhiệt khí xả. Hơi nước sinh ra từ nồi hơi phụ được đem đi sử dụng phục vụ các mục đích trên tàu. Nồi hơi phụ sử dụng trong hệ thống có thể là nồi hơi ống nước hoặc nồi hơi ống lửa. Bộ tận dụng nhiệt khí xả: Khi động cơ Diesel chính làm việc, khí xả quét qua cụm ống của bộ tận dụng nhiệt khí xả, trao nhiệt cho nước trong ống rồi thoát ra ống khói. Nước trong cụm ống được cấp qua ống góp nước nhờ bơm tuần hoàn hút nước từ khoang nước nồi hơi phụ. Nước trong cụm ống nhận nhiệt của khí lò ngoài ống, sôi, bốc hơi. Hỗn hợp nước, hơi qua ống góp ra trở về trống hơi. Tại đây hơi được tách ra và được đưa đi sử dụng. Phần nước chảy xuống trống nước và lại được bơm tuần hoàn cấp tới bộ tận dụng nhiệt khí xả. Như vậy ở chế độ làm việc với bộ tận dụng nhiệt khí xả, nồi hơi phụ đóng vai trò như một bầu phân ly nước-hơi. Hệ thống này có ưu điểm là bộ tận dụng nhiệt khí xả rất nhỏ gọn, dễ bố trí trên đường ống xả của động cơ Diesel. Tuy nhiên bộ tận dụng nhiệt khí xả có mật độ cụm ống khá dày đặc nên tăng sức cản trên đường xả của động cơ Diesel. Để tránh sức cản lớn và tăng cường độ trao đổi 86 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng nhiệt cần tuyệt đối tuân thủ chế độ thổi muội cho bộ tận dụng nhiệt khí xả. Hình 4.12. Một số kiểu nồi hơi khí xả. 87 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Chương 5. Các thiết bị, hệ thống phục vụ nồi hơi Các thiết bị, hệ thống phục vụ nồi hơi đóng vai trò trung tâm trong việc đảm bảo sự hoạt động an toàn của nồi hơi. Chúng không những cung cấp các công chất phục vụ cho sự hoạt động của nồi hơi như nhiên liệu, nước mà còn điều khiển, giám sát, và bảo vệ nồi hơi, đảm bảo cho hệ thống nồi hơi hoạt động an toàn, tin cậy, tính kinh tế cao. Các thiết bị, hệ thống phục vụ nồi hơi có thể được chia ra: nhóm thiết bị buồng đốt; nhóm thiết bị chỉ báo mức nước, cấp nước; và các thiết bị phụ khác. Các hệ thống thiết bị phụ của các nồi hơi được điều khiển nhờ một bộ điều khiển trung tâm (Burner controller). Bộ điều khiển trung tâm này ở các nồi hơi hiện đại được thiết kế dạng một bộ vi xử lý đã được lập trình sẵn (Programmable Logic Controller – PLC). Bộ xử lý này có nhiệm vụ điều khiển các hoạt động của nồi hơi như: tự động điều chỉnh việc cấp nhiên liệu, không khí, tự động điều khiển quá trình cháy theo tải của nồi hơi (theo áp suất hơi); tự động điều chỉnh việc hâm nhiên liệu; tự động điều chỉnh mức nước nồi hơi; tự động giám sát các thông số của nồi hơi để đưa ra các tín hiệu báo động, bảo vệ nồi hơi. Dưới đây sẽ trình bày chi tiết các hệ thống thiết bị này. 5.1. Thiết bị buồng đốt Thiết bị buồng đốt là trung tâm của hệ thống nồi hơi. Nhóm thiết bị buồng đốt bao gồm hệ thống cung cấp nhiên liệu, không khí và các thiết bị lắp ráp xung quang buồng đốt. Chúng có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu với chất lượng tốt cho quá trình cháy và các điều kiện khác phục vụ cho quá trình cháy như không khí cấp, tia lửa điện. Chúng cũng giám sát các thông số của quá trình cháy để điều khiển tự động và bảo vệ quá trình cháy. Thiết bị buồng đốt bao gồm: 88 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hệ thống cung cấp không khí; Hệ thống cung cấp nhiên liệu; Thiết bị đánh lửa; Các thiết bị giám sát, điều khiển quá trình cháy. 5.1.1. Hệ thống cung cấp không khí Hệ thống cung cấp không khí của các nồi hơi hiện nay thường bao gồm quạt gió và hệ thống các bướm gió, cánh hướng gió. Chúng có nhiệm vụ cung cấp đủ lượng không khí với lưu tốc đủ lớn và hướng thổi hợp lý phục vụ cho quá trình cháy. Nồi hơi tàu thủy thường ứng dụng quạt gió ly tâm lai trực tiếp bởi động cơ điện. Quạt gió hút không khí trực tiếp trong buồng máy qua một bướm gió và cấp không khí vào buồng đốt nồi hơi qua hệ thống ống hướng gió. Bướm gió thường là một tấm kim loại hình chữ nhật chặn ở cửa hút của quạt gió. Các nồi hơi cũ thường có bướm gió đóng mở bằng tay, khi cần có thể điều chỉnh độ mở để thay đổi lượng không khí cấp (ví dụ đóng bớt lại khi bắt đầu đốt nồi hơi). Các nồi hơi hiện đại thường được trang bị bướm gió tự động, được đóng mở nhờ một cuộn hút điện từ điều khiển tự động theo chương trình đã được đặt sẵn ở bộ điều khiển trung tâm. Ống hướng gió thường có cấu tạo dạng một ống hình trụ (Hình 5.1), phía trong cấp gió sơ cấp, phía ngoài có dạng cánh hướng cấp gió thứ cấp. Gió thứ cấp nhờ các cánh hướng nên thổi vào dưới dạng luồng xoáy lốc giúp xé tan chùm tia nhiên liệu phun vào từ súng phun. Nhờ vậy phân những hạt sương nhiên liệu được hoà trộn với không khí và phân bố đều, tạo nên quá trình cháy đều khắp buồng đốt. Trên hình 2 mô tả hình ảnh quá trình cháy xoáy lốc tạo ra do luồng gió sơ cấp và thứ cấp. 89 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hình 5.1: Thiết bị cấp không khí và sự phân bố ngọn lửa trong buồng đốt. 5.1.2. Hệ thống nhiên liệu Hệ thống nhiên liệu có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu với chất lượng tốt, nhiệt độ phù hợp vào trong buồng đốt nồi hơi. Hệ thống nhiên liệu 90 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng bao gồm: các két nhiên liệu, phin lọc, bơm tuần hoàn nhiên liệu, bầu hâm nhiên liệu, súng phun nhiên liệu, van điện từ. Dưới đây trình bày hai hệ thống nhiên liệu tiêu biểu. a) Hệ thống nhiên liệu một vòng tuần hoàn Hệ thống nhiên liệu hoạt động theo chế độ CẤP/NGẮT (ON/OFF Control). Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau: Nhiên liệu từ các két DO hoặc FO được bơm nhiên liệu hút qua các van chặn (thường là các van đóng nhanh), van ba ngả, phin lọc rồi được đẩy qua bầu hâm. Bằng cách thay đổi vị trí của van ba ngả có thể sử dụng một trong hai phin lọc hoặc cả hai. Nếu sử dụng nhiên liệu nặng (HFO), nhiên liệu sẽ được hâm tới nhiệt độ cao tại bầu hâm (khoảng 95-120oC), sau đó được đưa tới súng phun. Tuỳ từng điều kiện mà van điện từ bố trí trên đường dầu hồi có thể được điều khiển đóng hoặc mở theo các chương trình được đặt sẵn từ bộ điều khiển trung tâm. Nếu van điện từ đóng, áp suất nhiên liệu sau bơm cấp sẽ tăng lên và nhiên liệu sẽ được súng phun phun vào buồng đốt; nếu van điện từ mở, áp suất nhiên liệu thấp không đủ để mở van tuần hoàn trên súng phun nên không được cấp vào buồng đốt mà tuần hoàn ngược trở lại bơm. Tín hiệu lệnh được đưa tới bộ điều khiển trung tâm để đóng van điện từ khi có nhu cầu cấp nhiên liệu vào buồng đốt, nghĩa là khi áp suất hơi trong nồi hơi thấp. Điều này xảy ra khi mới bắt đầu đốt nồi hơi hoặc khi nồi hơi đang hoạt động ở chế độ tự động mà áp suất hơi giảm đến giá trị đặt trước. Tuy nhiên, nhiên liệu chỉ có thể được cấp vào buồng đốt nồi hơi (van điện từ đóng lại) khi các điều kiện để đảm bảo cho quá trình cháy đủ như: quạt gió đã chạy; nhiệt độ hâm nhiên liệu đảm bảo, áp suất nhiên liệu đảm bảo; mức nước nồi hơi không thấp. 91 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hình 5.2. Hệ thống nhiên liệu một vòng tuần hoàn. Khi đốt với nhiên liệu FO thì bầu hâm được đưa vào hoạt động. Thông thường người ta sử dụng các bầu hâm điện. Nhiệt độ hâm nhiên liệu được điều chỉnh tự động nhờ các rơ le nhiệt. Một rơle nhiệt đảm nhận nhiệm vụ đóng, ngắt nguồn hâm khi nhiệt độ nhiên liệu thấp hay cao (ví dụ: đóng khi nhiệt độ giảm tới 95oC, ngắt khi nhiệt độ tăng đến 120oC); ngoài ra còn có các rơle nhiệt điều khiển bơm tuần hoàn nhiên liệu, báo động nhiệt độ nhiên liệu cao (trên 145oC). Khi nhiệt độ nhiên liệu quá thấp (dưới 85oC) một rơle nhiệt đưa tín hiệu báo động nhiệt độ nhiên liệu thấp đồng thời van điện từ được mở để nhiên liệu tuần hoàn qua bầu hâm, dừng quá trình cháy. 92 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Một số nồi hơi có thể được thiết kế cháy ở hai chế độ: cháy thấp và cháy cao (low/high flame). Khi ấy trình tự hoạt động của hệ thống nhiên liệu là: NGẮT - CHÁY THẤP - CHÁY CAO - CHÁY THẤP NGẮT (OFF/LOW/HIGH/LOW/OFF). Việc chuyển từ cháy thấp sang cháy cao thực chất là tăng lượng nhiên liệu cấp vào buồng đốt nồi hơi. Thông thường có hai cách để thay đổi lượng nhiên liệu cấp: sử dụng hai súng phun; sử dụng hai chế độ áp suất phun nhiên liệu. Với trường hợp đầu tiên bơm cấp nhiên liệu đồng thời tới hai súng. Hai súng phun này được điều khiển độc lập: ở chế độ cháy thấp chỉ một súng phun được đưa vào làm việc; khi chuyển sang cháy cao, cả hai súng phun đều cấp nhiên liệu vào buồng đốt. Trường hợp thứ hai chỉ có một súng phun nhưng hệ thống được trang bị thiết bị phun nhiên liệu đặc biệt: ở chế độ cháy thấp hệ thống được điều chỉnh để làm việc với áp suất nhiên liệu thấp (ví dụ: 2MPa), khi ấy một lượng nhiên liệu được hồi trở lại; khi chuyển sang cháy cao hệ thống sẽ tăng áp suất phun nhiên liệu lên (ví dụ: 4MPa), khi ấy lượng nhiên liệu cấp vào cũng tăng theo. b) Hệ thống nhiên liệu hai vòng tuần hoàn Một số nồi hơi được trang bị hệ thống nhiên liệu hai vòng tuần hoàn (Hình 5.3). Hệ thống kiểu này có hai bơm nhiên liệu hình thành hai vòng tuần hoàn. Ở vòng ngoài, nhiên liệu được hút từ két FO qua bơm, qua van tràn rồi trở lại két. Bơm tuần hoàn nhiên liệu ở vòng trong chính là bơm cấp nhiên liệu cho súng phun. Nhiên liệu được hút từ ống góp hoà trộn qua bầu hâm, tới bơm và được đưa tới súng phun rồi trở lại ống góp qua van điện từ. Hai vòng tuần hoàn được nối với nhau bởi một lưu lượng kế. Khi hệ thống này hoạt động, áp suất ở vòng tuần hoàn ngoài được duy trì khoảng 0.25 MPa, còn áp suất nhiên liệu vòng trong phụ thuộc vào trạng thái của van điện từ. Nếu van điện từ mở, nhiên liệu chỉ tuần hoàn qua bầu hâm rồi trở lại, hai vòng tuần hoàn tách rời nhau. Khi 93 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng van điện từ đóng, áp suất nhiên liệu tăng, nhiên liệu được phun vào buồng đốt. Lượng nhiên liệu tiêu hao được bổ sung từ vòng ngoài qua lưu lượng kế. Việc điều chỉnh áp suất phun nhiên liệu được thực hiện nhờ điều chỉnh van điều chỉnh áp suất 18 trên bơm nhiên liệu. Khi làm việc với nhiên liệu nhẹ (DO) bơm tuần hoàn vòng ngoài dừng, nhiên liệu được cấp tới qua van đi tắt (by-pass). 94 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hình 5.3. Hệ thống nhiên liệu hai vòng tuần hoàn. 95 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng c) Súng phun Súng phun là thiết bị đảm nhận nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu vào trong buồng đốt nồi hơi với chất lượng tốt. Do quá trình cháy trong buồng đốt nồi hơi là quá trình cháy liên tục, nên người ta sử dụng súng phun hở. Các nồi hơi trước đây thường sử dụng súng phun áp lực, súng phun kiểu quay, súng phun hơi nước hoặc súng phun không khí nén, hoặc súng phun áp lực. Súng phun hơi nước, súng phun không khí nén có cùng nguyên lý là sử dụng công chất có áp lực cao là hơi nước hoặc không khí nén để xé tan dòng nhiên liệu. Do đặc điểm như vậy nên chất lượng phun sương khá tốt và ổn định. Tuy nhiên, súng phun hơi nước và súng phun không khí nén hiện nay ít được sử dụng do tốn công chất phun. Chúng hiện được ứng dụng ở một số thiết bị đốt dầu thải (incinerator) do ưu điểm là phun được cả dầu lẫn nước và tạp chất rắn. Dưới đây trình bày cấu tạo của một súng phun sử dụng hơi nước hoặc không khí nén làm công chất phun. Hình 5.4. Súng phun hơi nước hoặc không khí nén. 96 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Nguyên lý hoạt động của súng phun như sau: Nhiên liệu được dẫn tới đầu phun qua các rãnh dầu, công chất phun (hơi nước hoặc khí nén) với áp suất cao (0.5 – 1.0 MPa) được đưa tới trước các lỗ phun hơi. Nhờ có kết cấu rãnh xoáy lốc ở phía đầu phun, mà dòng công chất phun chuyển động xoáy với tốc độ cao ra khỏi đầu phun. Dòng xoáy lốc này hoà trộn với dòng nhiên liệu chảy vào. Nhờ có động năng lớn và chuyển động xoáy lốc của dòng công chất phun mà nhiên liệu bị xé tan thành những hạt sương nhiên liệu, đảm bảo cho sự cháy có thể diễn ra. Đối với các súng phun kiểu này, chất lượng phun sương phụ thuộc chủ yếu vào áp suất của công chất phun và động năng tạo ra khi chúng chuyển động xoáy lốc ra khỏi đầu phun mà không phụ thuộc vào áp suất của nhiên liệu cấp. Vì vậy đối với dạng súng phun này, hệ thống nhiên liệu chỉ cần cung cấp nhiên liệu áp suất thấp đến súng phun. Hình 5.5. Súng phun áp lực Các nồi hơi hiện nay hầu hết sử dụng súng phun áp lực. Với loại súng phun này, nhiên liệu được phun vào buồng đốt dưới dạng chùm sương 97 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng nhiên liệu nhờ áp lực cao. Một súng phun dạng này thường bao gồm ống dẫn dầu, van tuần hoàn và đầu phun. Hình 5.5 mô tả một cụm súng phun áp lực. Nhiên liệu áp suất cao từ bơm được dẫn tới trước van tuấn hoàn. Van tuần hoàn (nozzle circulating valve) đóng hay mở phụ thuộc vào áp suất nhiên liệu đưa tới nấm van (xem phần sau). Nếu van tuần hoàn mở, dầu sẽ được đưa tới đầu phun và phun vào buồng đốt. Dầu sẽ chảy qua cụm cơ cấu vành xoáy lốc và hình thành nên dòng chảy xoáy tại buồng xoáy lốc. Dầu phun ra từ lỗ phun với chuyển động xoáy giúp cho khả năng hòa trộn với ôxy được tốt hơn, hỗn hợp cháy vẫn đảm bảo cháy tốt mà không cần công chất phun như đối với súng phun hơi nước. Nếu van tuần hoàn đóng, nhiên liệu trở về qua ống dầu hồi rồi qua van điện từ trở về cửa hút của bơm. Với cách bố trí như vậy, nhiên liệu có nhiệt độ cao được tuần hoàn tới tận đầu phun. Điều này cho phép đốt trực tiếp nhiên liệu FO mà không cần chuyển sang đốt bằng DO khi khởi động nồi hơi. Hình 5.6. Ngọn lửa phun từ súng phun áp lực. 98 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng d) Van tuần hoàn Van tuần hoàn có nhiệm vụ chặn không cho nhiên liệu tới đầu phun khi áp suất nhiên liệu thấp dưới giá trị quy định. Hình 5.7 mô tả cấu tạo một van tuần hoàn. Phía trước van được nối với ống cấp dầu, phía sau nối với đầu phun. Bình thường van kim luôn đóng kín nhờ sức căng lò so. Chỉ khi nào áp suất nhiên liệu trên đường cấp dầu đủ lớn sao cho áp lực tác dụng lên bề mặt van kim thắng được sức căng lò xo và lực ép của hộp xếp thì van kim được mở ra. Dầu áp suất cao được đưa tới đầu phun và phun vào buồng đốt. Thông thường áp suất mở van kim được đặt thấp hơn áp suất giá trị đặt ở role bảo vệ áp suất thấp. Ví dụ cho một hệ thống làm việc với áp suất phun là 2.0 MPa thì áp suất mở van kim vào khoảng 1.2-1.3 MPa. Để điều chỉnh áp suất mở van kim có thể thay đổi sức căng lò xo bằng cách thay đổi độ dày của vành đệm số 9. 1. Thân van; 2. Bệ đỡ đế van; 3. Đế van; 4. Vành chặn; 5. Van kim; 6. Hộp xếp; 7. Lò xo; 8. Vành giữ hộp xếp; 9. Vành đệm chỉnh áp lực; 10. Bulông hãm. Hình 5.2. Van tuần hoàn. 99 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng e) Đầu phun 3 5 1 4 2 1. Thân; 2. Mặt côn; 3. Đai ốc hãm; 4. Buồng xoáy lốc; 5. Rãnh tiếp tuyến. Hình 5.3. Đầu phun nhiên liệu. Đầu phun (burner nozzle) có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu vào buồng đốt với chất lượng phun sương tốt. Để tạo ra chất lượng phun sương tốt, đầu phun thường được chế tạo có dạng rãnh tiếp tuyến và buồng xoáy lốc. Dòng nhiên liệu với áp suất cao đi tới súng phun được tăng tốc khi lưu động qua rãnh tiếp tuyến rồi chảy vào buồng xoáy lốc theo phương tiếp tuyến. Nhờ vậy nhiên liệu được phun dưới dạng chùm tia nhiên liệu hình nón (Hình 5.8). 100 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 5.1.3. Thiết bị đánh lửa 6 1. Vành chắn; 2. Vành hướng gió; 3. Bép phun; 4. Đầu phun; 5. Sứ cách điện; 6. Điện cực đánh lửa; 7. Thân súng phun; 8. Đường dẫn dầu. Hình 5.9. Thiết bị hướng gió, súng phun và thiết bị đánh lửa. Thiết bị đánh lửa có nhiệm vụ cung cấp tia lửa điện để đốt cháy nhiên liệu ở thời kỳ nồi hơi khởi động. Thiết bị đánh lửa thường bao gồm hai điện cực đánh lửa, biến áp đánh lửa và các dây dẫn, cọc đấu dây. Hai điện cực đánh lửa được nối với nguồn có điện áp cao (khoảng 10000V) tạo ra từ biến áp đánh lửa. Để chất lượng tia lửa điện tốt, cần giữ sạch các điện cực đánh lửa và điều chỉnh khoảng cách giữa các điện cực phù hợp. Khác với các động cơ đốt trong cháy theo chu kỳ nhờ tia lửa điện (bugi), nồi hơi là thiết bị có quá trình cháy liên tục. Vì vậy, thiết bị đánh lửa của nồi hơi chỉ hoạt động để cung cấp tia lửa điện ở thời kỳ bắt đầu đốt nồi hơi - khoảng 101 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 15-25 giây khi bắt đầu cung cấp nhiên liệu (xem phần chương trình điều khiển thiết bị buồng đốt). Hình 5.9 mô tả dạng bố trí thiết bị buồng đốt và các thông số hiệu chỉnh thiết bị đánh lửa. 5.1.4. Tế bào quang điện (mắt thần) Tế bào quang điện (flame eye, photo cell) là thiết bị bảo vệ quá trình cháy được lắp ở cửa buồng đốt. Đó là một thiết bị cảm ứng ánh sáng của quá trình cháy trong buồng đốt. Vật liệu cảm ứng ánh sáng được sử dụng là cadmium sulfide (CdS), có đặc tính thay đổi điện trở khi có sự thay đổi ánh sáng chiếu vào. Khi nồi hơi được đưa vào hoạt động, tế bào quang điện tự động cảm ứng ánh sáng trong buồng đốt. Nếu quá trình cháy trong buồng đốt nồi hơi bị dừng do một lý do nào đó, ngọn lửa trong buồng đốt bị tắt, không còn ánh sáng chiếu vào tế bào quang điện. Khi đó trở kháng của CdS lập tức tăng lên, dòng điện đi qua tế bào quang điện thay đổi, lập tức tín hiệu được đến bộ điều khiển để dừng nồi hơi và đưa tín hiệu báo động nồi hơi không cháy (mis-fire). Cấu tạo một tế bào quang điện được mô tả ở Hình 5.10. Để tế bào quang điện cảm ứng chính xác ánh sáng trong buồng đốt, cần giữ cho mặt trước luôn sạch bằng cách định kỳ lau bằng giẻ sạch. Hình 5.10. Mắt thần cảm biến ngọn lửa. 102 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 5.1.5. Chương trình điều khiển thiết bị buồng đốt Các nồi hơi hiện đại khi làm việc ở chế độ tự động, mọi hoạt động của nồi hơi được điều khiển tự động nhờ bộ điều khiển trung tâm thông qua các thiết bị cảm ứng, giám sát các thông số làm việc của nồi hơi. Hình 5.11 mô tả một chương trình điều khiển tự động thiết bị buồng đốt của một nồi hơi phụ tiêu biểu. Khi làm việc bình thường, chương trình điều khiển như sau: Tín hiệu khởi động (start signal) - thông gió trước (pre-purge) - đánh lửa (ignition) - tự động điều khiển, giám sát quá trình cháy (normal running) - kết thúc cháy (stop signal) - thông gió sau (post-purge) - nồi hơi dừng (stop). Hình 5.11. Chương trình điều khiển thiết bị buồng đốt. Tín hiệu khởi động nồi hơi được đưa tới bộ điều khiển trung tâm ở một trong hai trường hợp: khi mới đốt nồi hơi; khi nồi hơi đang hoạt động ở chế độ tự động mà áp suất hơi thấp. Ở trường hợp thứ nhất, tín hiệu đốt nồi hơi do người vận hành tạo ra bằng tác động vào nút điều khiển đốt nồi hơi. Trong trường hợp thứ hai khi nồi hơi đạng hoạt động ở chế độ tự động, rơle áp suất hơi sẽ cảm ứng áp suất hơi trong nồi hơi và 103 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng đưa tín hiệu đến bộ điều khiển trung tâm để điều khiển quá trình cháy. Ví dụ một nồi hơi được tự động điều khiển ON/OFF theo áp suất trong khoảng 0.6/0.8 MPa thì rơle áp suất hơi sẽ được đặt đóng/ngắt tiếp điểm ở hai giá trị áp suất tương ứng là 0.6 và 0.8 MPa. Khi có tín hiệu khởi động nồi hơi, bộ điều khiển sẽ tự động đưa các thiết bị vào hoạt động theo chương trình được đặt sẵn. Trước tiên quạt gió và bơm nhiên liệu được đưa vào làm việc để thổi hết khí sót, hơi dầu trong buồng đốt và tuần hoàn nhiên liệu qua súng phun. Một số nồi hơi có quạt gió và bơm nhiên liệu được lai bởi cùng một động cơ điện. Sau 30 giây, giai đoạn thông gió trước kết thúc, thiết bị đánh lửa được đưa vào hoạt động để chuẩn bị đốt cháy nhiên liệu. Từ giây thứ 35 van điện từ được đưa tín hiệu điều khiển đóng đường dầu hồi. Áp suất nhiên liệu trong hệ thống lập tức tăng lên, mở thông van tuần hoàn và cấp nhiên liệu đến đầu phun. Nhiên liệu phun vào buồng đốt được đốt cháy nhờ tia lửa điện đã có sẵn từ giây thứ 30. Thiết bị đánh lửa được điều khiển để chỉ cấp tia lửa điện trong thời gian đầu (khoảng 15-25 giây). Khi đã cháy nồi hơi hoạt động tự động nhờ chương trình điều khiển tự động quá trình cháy theo áp suất hơi: khi áp suất hơi tăng đến giá trị đặt trước thì hệ thống tự động dừng việc cấp nhiên liệu, nồi hơi trở về trạng thái sẵn sàng; khi áp suất hơi giảm xuống dưới giá trị đặt trước, nồi hơi được tự động đưa vào hoạt động theo chương trình mô tả trên. Một số nồi hơi được thiết kế để hoạt động ở hai chế độ cháy: CHÁY THẤP/CHÁY CAO, khi ấy nồi hơi sẽ làm việc ở chế độ CHÁY THẤP khi mới khởi động và tự động chuyển sang chế độ CHÁY CAO sau một khoảng thời gian nhất định. Sau khi đã đốt thành công, quá trình cháy được duy trì cho đến khi áp suất nồi hơi tăng đến giá trị định mức được đặt trước. Khi đó tiếp điểm của rơle áp suất hơi thay đổi trạng thái, đưa tín hiệu đến bộ điều khiển trung tâm để dừng nồi hơi. Khi ấy van điện từ được đưa tín hiệu mở thông đường dầu hồi, áp suất nhiên liệu giảm xuống, van tuần hoàn 104 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng đóng lại, kết thúc phun nhiên liệu. Quạt gió được duy trì chạy thêm 30 giây để quét sạch lượng khí sót trong buồng đốt. Trong suốt quá trình làm việc, tế bào quang điện được đưa vào hoạt động từ khi có tia lửa điện (bắt đầu đốt nồi hơi) cho đến khi mở van điện từ (dừng cấp nhiên liệu, kết thúc quá trình cháy) để giám sát quá trình cháy. Nếu nồi hơi bị tắt, dây cảm ứng CdS sẽ thay đổi trạng thái đưa tín hiệu đến bộ điều khiển trung tâm mở van điện từ, ngắt nhiên liệu, đồng thời đưa tín hiệu đến báo động nồi hơi không cháy. Các nồi hơi hiện đại còn kết hợp điều khiển đóng mở bướm gió. Thông thường bướm gió được điều khiển tự động đóng bớt ở thời kỳ khởi động và khi dừng để thuận lợi cho quá trình cháy. Ngoài bảo vệ quá trình cháy nhờ tế bào quang điện, các nồi hơi còn được thiết kế để bảo vệ các thông số làm việc khác như: tự động dừng nồi hơi khi mức nước nồi hơi qúa thấp; khi áp suất phun nhiên liệu thấp, nhiệt độ hâm nhiên liệu thấp, quạt gió bị ngừng,…. Một kiểu chương trình điều khiển tự động khác được mô tả ở hình dưới đây: 105 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hình 5.12. Chương trình điều khiển thiết bị buồng đốt. 106 NỒI HƠI TÀU THỦY 5.2. TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Thiết bị chỉ báo, cấp nước nồi Nhóm thiết bị chỉ báo, cấp nước nồi hơi có nhiệm chỉ báo, giám sát và tự động duy trì mức nước nồi hơi trong phạm vi quy định. Chúng bao gồm: thiết bị chỉ báo mức nước tại chỗ; thiết bị chỉ báo mức nước từ xa, các thiết bị giám sát, bảo vệ mức nước nồi hơi; hệ thống tự động cung cấp nước nồi. 107 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 5.2.1. Thiết bị chỉ báo tại chỗ a. Kiểu gắn trực tiếp; b. Kiểu gắn vào ống đo trung gian. 1. Van thông hơi; 2. Van thông nước; 3. Van chặn trên; 4. Van chặn dưới; 5. Ống thủy tinh; 6. Mặt kính bảo vệ; 7. Van xả nước; 8. Ống đo trung gian. Hình 5.4. Ống thủy sáng và các phương án bố trí ống thủy. 108 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Thiết bị chỉ báo tại chỗ hay còn gọi là ống thủy sáng hay ống thủy đặt cao. Theo quy định mỗi nồi hơi phải có ít nhất hai ống thủy sáng độc lập. Chúng phải được bố trí ở vị trí thuận lợi cho việc quan sát. Ống thủy sáng có cấu tạo dạng một ống thủy tinh, phía trên nối với không gian hơi, phía dưới nối với không gian nước. Theo nguyên tắc bình thông nhau, mức nước nhìn thấy trong ống thủy bằng mức nước trong nồi hơi. Thực tế mức nước trong ống thủy thấp hơn trong nồi hơi một chút do chênh lệch nhiệt độ giữa cột nước trong nồi hơi và cột nước trong ống thủy. Do nồi hơi làm việc với áp suất cao, nên trong thực tế, mặt thủy tinh của ống thủy được bảo vệ để có thể chịu được áp suất cao. Các ống thủy có thể được nối trực tiếp với thân nồi hơi hoặc nối vào một ống trung gian (Hình 5.13). Trường hợp sau thường được áp dụng trong trường hợp các thiết bị cảm ứng mức nước được bố trí trong ống trung gian này. Để thuận lợi cho việc vệ sinh, bảo dưỡng, các ống thủy bao giờ cũng được nối với thân nồi qua các van. Trong trường hợp hư hỏng ống thủy (ví dụ mặt thủy tinh bị vỡ), có thể đóng các van này để cách ly ống thủy khỏi nồi hơi. Để ống thủy chỉ báo chính xác mức nước trong nồi hơi, cần giữ cho các đoạn ống nối không bị tắc bằng cách định kỳ xả ống thủy. Khi làm việc các van 1, 2 luôn mở, van 7 đóng. Khi cần xả ống thủy ta đóng van 1, 2, mở van 7 sau đó mở lần lượt các van 1, 2 để thông các đoạn ống trên, dưới. 5.2.2. Thiết bị chỉ báo mức nước từ xa Các nồi hơi tàu thủy thường được bố trí ở trên cao và xa nơi điều khiển. Để thuận tiện cho người khai thác, thiết bị chỉ báo mức nước từ xa được ứng dụng. Một số nồi hơi kiểu cũ còn sử dụng ống thủy tối (ống thủy đặt thấp) để chỉ báo mức nước từ xa. Thiết bị này cũng áp dụng nguyên tắc bình thông nhau như ống thủy tại chỗ, nhưng phần chỉ báo đặt từ xa là một 109 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng ống chữ U chứa một chất lỏng nặng. Một nhánh của chữ U nối với khoang hơi luôn chứa đầy nước cảm ứng một cột áp tĩnh không đổi, nhánh còn lại nối với không gian nước cảm ứng một cột áp tĩnh thay đổi theo mức nước nồi hơi. Nhờ vậy bằng cách xem mức chất lỏng nặng trong ống chữ U có thể suy ra mức nước nồi hơi. Hình 5.14. Ống thủy tối. 110 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Tuy nhiên loại thiết bị này hiện nay hầu như không được sử dụng vì cồng kềnh, khó lắp đặt và không có khả năng tổ hợp làm thiết bị cảm ứng mức nước phục vụ cho việc tự động điều khiển mức nước nồi hơi. 5.2.3. Hệ thống cung cấp nước nồi hơi Hệ thống cung cấp nước nồi hơi có nhiệm vụ duy trì mức nước trong nồi hơi trong phạm vi cho phép. Hệ thống bao gồm các bơm cấp nước nồi, hệ thống van ống, thiết bị cảm ứng mức nước điều khiển bơm. Hình 5.15 dưới đây trình bày một hệ thống cấp nước. Nước cấp cho nồi hơi được bổ xung tới két vách (cascade tank) từ hai nguồn: nước từ két chứa nước nồi hơi được dẫn qua thiết bị trao đổi ion làm mềm nước và nước ngưng tụ từ bình ngưng. Tại két vách cặn và váng dầu được giữa lại. Nước sạch được bơm cấp nước hút qua phin lọc rồi cấp vào bầu nồi qua van một chiều và van cấp nước. Van một chiều có nhiệm vụ ngăn không cho nước trong nồi hơi chảy ngược lại. Động cơ điện lai bơm được điều khiển tự động nhờ bộ điều khiển đặt trong bảng điều khiển thông qua tín hiệu điều khiển được lấy từ thiết bị cảm ứng mức nước nồi hơi. 1. Bảng điều khiển nồi hơi; 2. Két chứa; 3. Thiết bị làm mềm nước; 4. Bầu ngưng; 5. Két vách; 6. Phin lọc; 7. Động cơ điện; 8. Bơm cấp nước nồi; 111 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 9. Van một chiều; 10. Nồi hơi; 11. Thiết bị cảm ứng mức nước. Hình 5.15. Hệ thống cấp nước nồi hơi. Một số nồi hơi thông số cao có thể được trang bị hệ thống cấp nước liên tục nhờ van điện từ. Trong hệ thống này, bơm cấp nước được thiết kế để hoạt động liên tục trong thời gian nồi hơi hoạt động. Việc tự động cấp nước được thực hiện bằng đóng, mở van điện từ. Van điện từ được điều khiển đóng/mở bởi bộ điều khiển trung tâm, lấy tín hiệu từ thiết bị cảm ứng mức nước nồi hơi. Lượng nước thừa chảy trở lại két vách qua lỗ tiết lưu. Thiết bị cảm ứng có thể ứng dụng một trong ba dạng sau: a) Thiết bị cảm ứng kiểu khí nén Nếu nồi hơi trang bị bộ biến đổi áp suất kiểu khí nén để cảm ứng mức nước nồi, thì hệ thống này thường kết hợp vừa chỉ báo mức nước từ xa, vừa cảm ứng mức nước để điều khiển bơm cấp nước và giám sát mức nước (báo động, bảo vệ). Trong trường hợp này thiết bị cảm ứng để điều khiển cấp nước thực chất là các rơle áp suất cảm suất khí nén tại cửa ra của bộ biến đổi áp suất. b) Thiết bị cảm ứng kiểu phao 2 3 1 1. Quả phao; 2. Các công tắc điều khiển; 3. Nồi hơi. 112 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hình 5.16. Thiết bị cảm ứng mức nước kiểu phao. Thiết bị phản ứng dạng phao gồm một quả phao nổi trong một ống hình trụ thông với khoang nồi hơi. Cán phao là một thanh kim loại. Khi mức nước nồi hơi thay đổi, cán phao chuyển động tịnh tiến lên xuống qua đó làm thay đổi trạng thái các công tắc điện bố trí dọc theo cán phao. Bằng cách như vậy sẽ điều khiển bơm cấp nước nồi và giám sát mức nước nồi hơi. Các công tắc điện bố trí dọc theo cán phao thường là dạng tiếp điểm không tiếp xúc. Chúng được thiết kế để có thể chịu được điều kiện làm việc khắc nghiệt của nồi hơi. c) Thiết bị cảm ứng kiểu que cảm ứng 1. Cán giữ; 2. Vỏ hộp; 3. Thanh cảm ứng; 4. Bích nối với van xả cặn 113 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hình 5.17. Thiết bị cảm ứng mức nước kiểu que cảm ứng. Thiết bị bao gồm một số que cảm ứng đặt thẳng đứng trong một ống hình trụ nối với khoang nồi hơi (Hình 5.17). Các que cảm ứng có chiều dài khác nhau cảm biến mức nước khác nhau phù hợp với chức năng của từng que. Khi mức nước nồi hơi thay đổi, tuỳ theo mức nước mà các que này nhúng trong nước hoặc nhô ra khỏi mặt nước nhờ đó thay đổi tín hiệu điều khiển đưa tới bộ điều khiển để điều khiển bơm cấp nước nồi và giám sát mức nước nồi hơi. Hình 5.18. Hoạt động của thiết bị cảm ứng kiểu que cảm ứng. Thiết bị cảm ứng kiểu này có thể hoạt động theo nguyên lý cảm biến điện dung hoặc điện trở. Các que cảm ứng sẽ cảm ứng các mức nước khác nhau để thự hiện các chức năng cơ bản sau: AA: Báo động mực nước cao, bơm nước cấp không hoạt động. aa: Mực nước cao, không báo động. 114 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng BB: Dừng bơm cấp nước nồi. bb: Bơm nước cấp đang hoạt động ở mực nước bình thường. CC: Bơm cấp nước khởi động. cc: Bơm cấp nước không khởi động. DD:. Báo động mực nớc thấp, ngừng cấp nhiên liệu. dd: Không báo động mực nước thấp. 5.3. Tự động điều khiển và điều chỉnh nồi hơi Trong những năm gần đây nhờ những thành tựu vượt bậc trong các lĩnh vực điện-điện tử, tự động, các trang thiết bị tàu thủy hầu hết được thiết kế để có thể tự hoạt động tin cậy mà cần rất ít sự can thiệp của người khai thác. Việc áp dụng các hệ thống tự động điều chỉnh và điều khiển không những cải thiện được điều kiện làm việc của người khai thác, mà còn cho phép giảm thiểu các thiệt hại gây ra do lỗi của người khai thác. Việc áp dụng tự động hóa điều khiển nồi hơi tàu thủy cũng đã được thực hiện từ thế kỷ trước. Các nồi hơi sản suất trước đây sử dụng các bộ điều khiển kiểu cơ điện (cam cơ khí điều khiển các tiếp điểm điện); các nồi hơi hiện đại hơn sử dụng các bộ điều khiển rơle (Relay controller). Nồi hơi tàu thủy sản xuất những năm gần đây chủ yếu được trang bị các bộ điều khiển khả lập trình (PLC). Tuy chủng loại các bộ điều chỉnh rất đa dạng, nhưng tự động hóa điều khiển nồi hơi đều tập trung giải quyết các nhiệm vụ điều khiển sau: 1. Tự động điều khiển quá trình cháy (cấp không khí, tia lửa điện, nhiên liệu); 2. Tự động điều khiển quá trình hâm sấy nhiên liệu: 3. Tự động điều khiển mức nước nồi hơi; 4. Tự động giám sát, bảo vệ các thông số cơ bản của nồi hơi. 115 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 5.3.1. Tự động điều khiển quá trình cháy Đối tượng của tự động điều khiển quá trình cháy nồi hơi là thông số đầu ra cơ bản của nồi hơi – áp suất hơi. Hình 5.19 mô tả sơ đồ lôgic điều khiển quá trình cháy nồi hơi phụ tàu thủy. Khi nồi hơi được đặt ở chế độ điều khiển tự động, hệ thống sẽ ở trạng thái sẵn sàng làm việc. Khi đó áp suất hơi trong nồi hơi sẽ được so sánh với giá trị đặt trước tại rơle áp suất hơi. Nếu áp suất trong nồi hơi nhỏ hơn giá trị đặt (LOW), rơle sẽ cấp tín hiệu điều khiển, bắt đầu quá trình đốt. Sau khi theo trình tự, nhiên liệu được phun và cháy trong buồng đốt. Nếu do lý do nào đó mà quá trình cháy không xảy ra (tia lửa điện kém, chất lượng phun nhiên liệu kém…), tế bào quang điện sẽ đưa tín hiệu bảo vệ dừng nồi hơi sãu khoảng 3-5 giây. Nếu điều này xảy ra, bộ điều khiển sẽ chỉ hoạt động trở lại sau khi đã nhấn nút hoàn nguyên (RESET). Nếu quá trình đốt thành công, hệ thống sẽ trở về trạng thái tự động giám sát quá trình cháy. Khi đó sẽ có thể có các trường hợp sau: Quá trình cháy sẽ được duy trì đến khi áp suất hơi trong nồi hơi cao hơn giá trị đặt trước tại rơle áp suất hơi. Khi đó nồi hơi sẽ tự động dừng (theo chương trình), và trở về trạng thái tự động sẵn sàng làm việc; Nồi hơi sẽ dừng lại trước khi áp suất hơi đạt đến giá trị đặt trước nếu có tác động dừng từ người vận hành. Lúc này hệ thống dừng sau khi thực hiện hết thông gió sau và sẽ chỉ làm việc trở lại khi người vận hành đưa hệ thống về trạng thái sẵn sàng làm việc (burner operation AUTO); Nồi hơi sẽ tự động dừng lại (abnormal stop) nếu xuất hiện một trong các điều kiện bảo vệ quá trình cháy (burner protection). Sau khi dừng sự cố, hệ thống chỉ có thể làm việc trở lại khi các tín hiệu bảo vệ được loại bỏ và sau khi nhấn nút hoàn nguyên. 116 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Tự động bảo vệ nồi hơi bao gồm (burner protection): Tự động bảo vệ ngọn lửa trong buồng đốt (mis-fire) bởi tế bào quang điện, thời gian trễ khoảng 5 giây; Tự động dừng khi mức nớc nồi hơi quá thấp; Tự động dừng khi áp suất phun nhiên liệu quá thấp; Tự động dừng khi nhiệt độ nhiên liệu quá thấp (chỉ áp dụng cho FO). Hình 5.19. Sơ đồ lôgic tự động điều khiển quá trình cháy nồi hơi phụ tàu thủy. 117 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 5.3.2. Tự động điều khiển hâm nhiên liệu Nồi hơi tàu thủy hầu hết đều sử dụng nhiên liệu nặng (HFO) trong suốt thời gian làm việc. Nhiên liệu nhẹ (DO) chỉ được sử dụng khi đốt lần đầu sau khi lắp đặt hoặc sửa chữa lớn. Khi sử dụng nhiên liệu nặng, cần phải hâm nhiên liệu đến nhiệt độ cao (90 đến 120oC, tùy theo loại nhiên liệu). Nguồn năng lượng sử dụng để hâm nhiên liệu thường lấy từ chính hơi nước do nồi hơi tạo ra. Các nồi hơi phụ tàu thủy còn sử dụng kết hợp bầu hâm điện để đảm bảo ổn định nhiệt độ nhiên liệu trước khi cấp vào buồng đốt. Hệ thống nhiên liệu hai vòng tuần hoàn như ở Hình 5.3 được tự động điều khiển nhiệt độ hâm theo sơ đồ Hình 5.20. Nhiên liệu trước đó đã được hâm nóng đến nhiệt độ 80-90oC tại két trực nhật nhờ hơi nước. Hệ thống tự động điều khiển hâm nhiên liệu sẽ tự động cung cấp năng lượng cho bầu hâm điện để đảm bảo ổn định nhiệt độ nhiên nhiệu trước khi phun vào buồng đốt. Hệ thống tự động hoạt động khi lựa chọn chế độ sử dụng nhiên liệu nặng (chuyển công tắc loại bỏ rơle điều khiển hâm nhiên liệu về vị trí OFF). Khi đó nhiệt độ nhiên liệu trong bầu hâm sẽ được cảm biến nhờ điện trở nhiệt (thermister), nếu nhiệt độ thấp, bầu hâm sẽ được cấp nguồn điện và nhiệt độ nhiên liệu sẽ được tự động duy trì trong khoảng giá trị đặt trước của điện trở nhiệt. Hệ thống đồng thời cũng được trang bị các rơle nhiệt điều khiển bơm nhiên liệu để tuần hoàn nhiên liệu trong quá trình hâm. Ngoài ra một rơle nhiệt khác được trang bị để ngắt nguồn điện bầu hâm khi nhiệt độ nhiên liệu cao quá giá trị cho phép. Nếu trường hợp này xảy ra, hệ thống chỉ có thể trở về trạng thái tự động làm việc sau khi đã nhấn nút hoàn nguyên. 118 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Thermister là điện trở nhiệt, dùng để cảm biến nhiệt độ nhiên liệu FO trong bầu hâm, nhờ đó điều khiển đóng/ngắt bầu hâm; Thermostat là rơle nhiệt, trong hệ thống hâm nhiên liệu sử dụng ba chiếc: một để báo động nhiệt độ hâm cao; một để bảo vệ nhiệt độ FO thấp; một để điều khiển bơm tuần hoàn nhiên liệu khi hâm. Hình 5.20. Sơ đồ lôgic tự động điều khiển quá trình hâm nhiên liệu. 119 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 5.3.3. Tự động giám sát và cấp nước nồi hơi Cảm biến mức nước số 1: tự động khởi động bơm cấp nước; Cảm biến mức nước số 2: tự động dừng bơm cấp nước; Cảm biến mức nước số 3: tự động báo động mức nước cao; Cảm biến mức nước số 4: tự động báo động mức thấp; Cảm biến mức nước số 5: tự động bảo vệ mức quá thấp; Chú ý: Mức báo động cao (cảm biến số 3) được đặt cao hơn mức dừng bơm cấp nước (cảm biến số 1); Mức báo động thấp (cảm biến số 4) được đặt thấp hơn mức khởi động bơm cấp nước (cảm biến số 1); Mức bảo vệ (cảm biến số 5) được đặt thấp hơn mức báo động thấp (cảm biến số 4). Hình 5.21. Sơ đồ lôgic tự động điều khiển, giám sát và bảo vệ mức nước nồi hơi. Mức nước nồi hơi là thông số hết sức quan trọng, nồi hơi phải luôn được đảm bảo đủ nước để tránh quá nhiệt, gây cháy hỏng các bề mặt trao đổi nhiệt và cháy nổ nồi hơi. Việc tự động điều khiển cung cấp nước, tự động giám sát và bảo vệ mức nước nồi hơi ở các nồi hơi phụ tàu thủy thường được thực hiện theo sơ đồ lôgic ở Hình 5.21. Ngay sau khi cấp nguồn cho hệ thống điều khiển nồi hơi, hệ thống cung cấp nước được tự động đưa vào làm việc để luôn duy trì mức nước trong nồi hơi trong vùng cho phép. Việc tự động điều khiển bơm cấp nước nồi hơi được thực hiện nhờ tín hiệu cảm biến tại các cảm biến mức 120 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng nước. Các hệ thống nồi hơi phụ tàu thủy thường được trang bị các chức năng tự động điều khiển bơm cấp nước nồi, tự động báo động mức nước nồi hơi cao, thấp và tự động bảo vệ (dừng nồi hơi) khi mức nước nồi hơi quá thấp. 5.4. Van an toàn Van an toàn là thiết bị bảo vệ áp suất hơi trong nồi hơi. Nếu do một lý do nào đó áp suất trong nồi hơi vượt quá giá trị cho phép thì van an toàn sẽ tự động mở để xả bớt hơi ra ngoài, đảm bảo an toàn cho nồi hơi. Theo quy định, các nồi hơi có diện tích bề mặt trao nhiệt lớn hơn 12m2 phải có ít nhất hai van an toàn. Thông thường hai van an toàn được lắp trên cùng một thân và chỉnh áp suất mở ở giá trị 0.05 và 0.07 MPa lớn hơn áp suất làm việc cao nhất của nồi hơi. Các van an toàn còn được trang bị tay giật sự cố để mở van cưỡng bức khi cần hoặc khi van bị kẹt. Ống xả hơi thừa ra ngoài không được nối trực tiếp với thân van để tránh cong vênh thân van. Hơi thừa thoát ra ngoài không được tiếp xúc trực tiếp với lò xo van. 5.4.1. Van an toàn kiểu đẩy thẳng Hình 5.22 mô tả một van an toàn kiểu đẩy thẳng. Van gồm đĩa van có rãnh hình vành khăn ép lên đế van nhờ sức căng lò xo. Đế van cũng có dạng hình vành khăn. Phía trên đĩa van có piston 5 trượt trong xilanh của vòng điều chỉnh 6. Không gian phía trên piston 5 nối thông với bên ngoài qua van tiết lưu 20. Nhờ kết cấu của đĩa van hình vành khăn và vòng điều chỉnh mà việc đóng mở van an toàn ổn định, không bị giật hay đóng mở liên tục nhiều lần. Giả sử áp suất mở van an toàn là p, diện tích tác dụng của đĩa van khi van đóng là F, diện tích của phần vành khăn trên đĩa van là F, lực căng ban đầu của lò xo là R thì cân bằng lực tác dụng lên đĩa van khi mở như sau: 121 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng (p - p)(F + F) = R + R (5-1) Trong đó p là độ giảm áp suất hơi tác dụng lên đĩa van khi van mở; R là độ tăng sức căng lò xo khi đĩa van bị nâng lên. Ngoài ra nhờ có vòng điều chỉnh 6 và van tiết lưu 20 mà lợi dụng phản lực của dòng hơi thoát ra đồng thời lợi dụng phản lực tác dụng lên đĩa van giúp van đóng mở ổn định. Các thông số làm việc của van như: áp suất mở van; độ nâng đĩa van, thời gian van mở; và áp suất đóng van hay độ chênh giữa áp suất mở và đóng van có thể điều chỉnh được. Điều chỉnh áp suất mở van: Áp suất mở van được điều chỉnh nhờ thay đổi sức căng ban đầu của lò xo. Nới lỏng êcu hãm và vặn vít điều chỉnh 12 ngược chiều kim đồng hồ sẽ giảm áp suất mở. Ngược lại nếu vặn vít điều chỉnh cùng xchiều kim đồng hồ sẽ tăng áp suất mở. Tuy nhiên không nên điều chỉnh quá 10% giá trị quy định do nhà chế tạo. Điều chỉnh khi độ chênh áp suất đóng, mở quá lớn: Độ chênh quá lớn là do lực nâng đĩa van quá lớn so với lực ép xuống. Việc điều chỉnh có thể thực hiện bằng cách chỉnh van tiết lưu phản áp 20 cùng chiều kim đồng hồ: như vậy sẽ tăng phản áp ép nấm van xuống. Hoặc có thể kết hợp chỉnh vòng điều chỉnh cùng chiều kim đồng hồ để giảm lực tác dụng nâng đĩa van (vòng điều chỉnh có rãnh dọc theo chu vi nên có thể xoay bằng cách sử dụng tuốc nơ vít). 122 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 123 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hình 5.5. Các loại van an toàn kiểu đẩy thẳng. Điều chỉnh khi độ chênh áp suất đóng, mở quá nhỏ: Khi độ chênh quá nhỏ có thể nới lỏng van tiết lưu 20 để giảm tác dụng của lực phản áp. Hoặc kết hợp chỉnh vòng điều chỉnh ngược chiều kim đồng hồ để tăng lực tác dụng nâng đĩa van. Độ nâng Độ nâng Độ chênh quá lớn Độ chênh quá nhỏ Thời gian nâng Thời gian nâng Hình 5.23. Đặc tính hoạt động của van an toàn. 124 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 5.4.2. Van an toàn hoạt động gián tiếp Đối với các nồi hơi lớn có thông số hơi cao, để đảm bảo an toàn cho nồi hơi người ta thường trang bị van an toàn hoạt động gián tiếp. Van an toàn hoạt động gián tiếp gồm có van chính và van điều khiển. Ở chế độ làm việc bình thường, phía trước van điều khiển thông với không gian hơi của nồi hơi. Khi áp suất trong nồi tăng cao đạt đến giá trị đặt của van an toàn thì áp lực đó sẽ thắng lực căng của lò xo trên van điều khiển, đẩy mở đế van để đi vào khoang bên trái của piston trong van chính. Lúc này piston sẽ chuyển động sang phải và mở van chính để xả bớt hơi ra ngoài. Khi áp suất hơi giảm xuống, lực căng của lò xo trên van điều khiển sẽ đóng van này lại, phần hơi còn lại trong khoang bên trái của piston thoát ra ngoài qua lỗ xả khí, van chính được đóng trở lại. Để quá trình đóng mở van chính diễn ra nhịp nhàng, phía cán trái của piston được bố trí cần giảm chấn và lò xo giảm chấn. 125 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hình 5.24. Van an toàn hoạt động gián tiếp. 5.5. Thiết bị gạn xả và thổi muội 5.5.1. Gạn mặt, xả đáy nồi hơi Quá trình sinh hơi diễn ra liên tục bên trong nồi hơi dẫn đến việc tích tụ các thành phần tạp chất không bay hơi cùng với hơi nước. Ngoài các thành phần bám vào các bề mặt trao đổi nhiệt, hình thành cáu cặn là không thể xả ra ngoài, các thành phần khác thường lắng đọng ở phía dưới ở dạng cặn bùn hoặc lơ lửng ở gần mặt phân cách nước-hơi ở dạng các tạp chất lơ lửng. Các thành phần này có thể xả ra ngoài nhờ hệ thống gạn mặt, xả đáy. Các nồi hơi phụ tàu thủy thường được trang bị hệ thống gạn xả đơn giản như ở hình dưới. 126 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Công việc gạn mặt, xả đáy được thực hiện hàng ngày theo quy trình sau: 1. Cấp nước nồi hơi đến mức cao; 2. Mở van gạn mặt để xả nước lẫn các tạp chất lơ lửng đến cho đến mức nước bình thường; 3. Cấp lại nước nồi hơi đến mức cao; 4. Mở van xả đáy để xả cặn bùn lắng đọng phía dưới; 5. Công việc gạn mặt, xả đáy nên thực hiện khi nồi hơi dừng hoặc ở chế độ nhẹ tải. Tổng cột nước xả ra khỏi nồi hơi vào khoảng 150 – 200 mm (xem trên ống thủy). Hình 5.25. Sơ đồ bố trí van gạn mặt và xả đáy. 127 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Khi nồi hơi hoạt động các van trên hệ thống gạn xả luôn được giữ đóng, chúng chỉ được mở khi thực hiện gạn mặt, xả đáy. Các van gạn mặt, xả đáy được bố trí ngay cạnh nồi hơi, thường xuyên tiếp xúc với môi trường nước có áp suất, nhiệt độ cao, nên rất dễ bị dò lọt. Để bảo vệ các van này nên mở chúng trước khi mở van chặn trung gian trên đường nước xả ra mạn tàu. Việc dò lọt các van của hệ thống gạn xả sẽ dẫn đến mất nước nồi hơi. Có thể phát hiện sự dò lọt bằng cách sờ vào đường ống gạn xả. 5.5.2. Thiết bị thổi muội Hình 5.26. Thiết bị thổi muội. Trong quá trình hoạt động, những bộ phận tiếp xúc nhiều với khí cháy sẽ bị bám tro muội. Muội bám trên vách nồi hơi và các bề mặt hấp nhiệt sẽ gây ra ăn mòn, đồng thời làm giảm khả năng truyền nhiệt của bề mặt hấp nhiệt, giảm hiệu suất nồi hơi. Do đó, cần định kỳ thổi muội (soot blow) cho nồi hơi ở các vị trí nói trên. 128 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Thiết bị thổi muội được bố trí tại các điểm thổi muội quanh nồi hơi, khi hoạt động sẽ phun hơi quá nhiệt (trích ra từ đường hơi chính) vào đánh tan lớp muội bám quanh điểm thổi muội đó. Khi có tín hiệu thổi muội, động cơ điện quay và làm quay bánh răng dẫn động quay qua một loạt cơ cấu truyền động. Bánh răng dẫn động sẽ làm quay trục vít, đẩy ống dẫn hơi tịnh tiến từ trái sang phải đi vào trong nồi hơi. Ống dẫn hơi chuyển động cho đến khi vấu cam tác động vào cơ cấu mở van cấp hơi. Lúc này, ống dẫn hơi dừng lại, đồng thời van cấp hơi mở để cho hơi đi vào ống dẫn hơi. Hơi quá nhiệt sẽ được phun ra từ đầu phun và làm bong lớp muội bám trên các bề mặt gần đó. Trong quá trình thổi muội, khí làm mát được cấp vào vừa để làm mát ống dẫn hơi vừa có tác dụng vệ sinh, làm sạch phần muội bẩn sót trên đầu phun. Ở dưới tàu thủy, công việc thổi muội thường được tiến hành định kỳ mỗi ca trực ít nhất một lần. Ngoài kết cấu như Hình 5.26 ra, thiết bị thổi muội có thể là loại quay bằng tay, loại có nhiều lỗ phun… tùy theo kiểu nồi hơi, kích cỡ và công suất. 5.6. Hệ thống phân phối và tuần hoàn hơi Hơi sinh ra có thể được sử dụng ngay hoặc phải giảm áp cho phù hợp với mục đích sử dụng. Hơi áp suất cao thường được sử dụng cho bầu hâm nhiên liệu, hâm sấy các két lắng, hâm dầu các-te máy chính và máy đèn… Hơi áp suất thấp thường được sử dụng cho những mục đích không đòi hỏi công suất lớn như: hâm dầu trước khi lọc, hâm nước sinh hoạt, sấy không khí sưởi ấm cho thuyền viên… Sau khi đi công tác, hơi sẽ về bầu ngưng để ngưng tụ lại thành nước hoặc về trực tiếp két vách nếu nhiệt độ, áp suất không còn cao nữa. Hình 5.27 mô tả sơ đồ một hệ thống phân phối và tuần hoàn hơi sử dụng nồi hơi kiểu tuần hoàn cưỡng bức. 129 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hình 5.27. Hệ thống phân phối và tuần hoàn hơi trên tàu Golden Bear. 130 NỒI HƠI TÀU THỦY Chương 6. 6.1. TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Nước nồi hơi và xử lý nước nồi hơi Nước cấp nồi hơi 6.1.1. Thành phần cáu cặn trong nước nồi hơi Trong các hệ thống động lực hơi nước, nước và hơi nước được dùng làm chất môi giới để thực hiện các quá trình chuyển hoá năng lượng. Sự chuyển hoá năng lượng trong các hệ thống sử dụng nước và hơi nước làm chất môi giới bao giờ cũng kèm theo sự biến đổi pha của nước và hơi nước. Khi hệ thống hoạt động nước và hơi nước tham gia các quá trình nhiệt, quá trình chuyển hoá năng lượng, trạng thái của chúng thay đổi liên tục để thực hiện các quá trình chuyển hoá năng lượng này. Các quá trình như vậy luôn được thực hiện theo chu trình kín: nước nhận nhiệt, biến thành hơi tại nồi hơi và được đưa đi sử dụng, hơi thải, sau khi sử dụng, được ngưng tụ lại và đưa trở lại nồi hơi. Khi thực hiện quá trình hóa hơi tại nồi hơi, hơi nước sinh ra được đưa đi sử dụng, hầu hết lượng tạp chất được giữ lại ở nồi hơi. Khi thực hiện chu trình kín như vậy, mật độ các tạp chất sẽ tăng dần lên, chúng sẽ đọng dưới đáy nồi hơi, bám trên các bề mặt trao đổi nhiệt hoặc lơ lửng trên bề mặt sinh hơi. Điều này một mặt sẽ làm giảm năng suất sinh hơi, giảm chất lượng hơi, mặt khác sẽ làm giảm cường độ trao nhiệt tại các bề mặt trao đổi nhiệt dẫn tới quá nhiệt các bề mặt trao đổi nhiệt này, giảm tuổi thọ thậm chí gây cháy hỏng nồi hơi. Tạp chất lẫn trong hơi nước còn bám lên các bề mặt của các thiết bị tiêu dùng hơi, gây ra mất cân bằng đối với tua bin hơi, giảm hiệu quả trao đổi nhiệt ở các thiết bị hâm sấy… Vì vậy nước sử dụng cho nồi hơi phải đảm bảo có độ tinh khiết cao, ít tạp chất, đặc biệt là đối với các nồi hơi ống nước có ống cong, nhỏ, và các nồi hơi thông số cao. Một số tạp chất 131 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng còn gây lên ăn mòn vật liệu chế tạo nồi hơi và các chi tiết kim loại khác trong hệ thống tiêu dùng hơi. Hầu hết các nồi hơi thông số thấp, sử dụng trên tàu thủy, sử dụng nước công nghiệp (nước sinh hoạt), nước sinh hoạt đã được làm mềm hoặc nước chưng cất. Hầu hết các loại nước sử dụng đều chứa các thành phần gây ra độ cứng (hàm lượng Ca, Mg) hoặc silica. Các chất này gây ra đóng cáu cặn trên các bề mặt trao đổi nhiệt. Lượng ôxy hòa tan thì gây ăn mòn kim loại trong nồi hơi, trong khi khí CO2 hòa tan thì gây ăn mòn kim loại trên đường nước ngưng. Trong nước nồi hơi thường có lẫn những tạp chất sau: Các tạp chất vô cơ không hoà tan như bùn, đất sét, cát, rỉ sắt; các tạp chất hữu cơ như xác động vật, thực vật, các loại dầu, chất béo. Các tạp chất này có thể kết tủa hoặc không kết tủa, chúng có thể gây ra hiện tượng bùng sôi, một số loại dầu và chất béo có thể gây ăn mòn kim loại. Các khí hoà tan gồm có ôxy, nitơ, ôxít cácbon, trong đó ôxy và ôxít cácbon gây ra ăn mòn kim loại. Các tạp chất dễ hoà tan thường là các muối, các hydrôxit. Các muối calcium bicarbonate (Ca(HCO3)2), magnesium bicarbonate (Mg(HCO3)2) tạo lên độ cứng tạm thời, chúng giải phóng khí CO2 khi bị đun nóng và tạo thành các kết tủa mềm có thể xả ra ngoài. Muối calcium chloride (CaCl2) gây đóng cáu nhưng thường tác dụng với MgSO4 sinh ra MgCl2 gây ăn mòn kim loại. Calcium nitrate (CaNO3) gây ăn mòn khi xuất hiện với hàm lượng lớn. Magnesium chloride (MgCl2) gây đóng cáu cặn và ăn mòn kim loại mạnh. 132 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Magnesium sulphate (MgSO4) ăn mòn kim loại mạnh khi tác dụng với các muối chloride để tạo thành MgCl2. Magnesium nitrate MgNO3 gây đóng cáu cặn và ăn mòn. Sodium chloride (NaCl) gây bùng sôi khi suất hiện với mật độ lớn. Các tạp chất khó hoà tan bao gồm: Calcium carbonate (CaCO3) sinh ra cáu cặn mềm và bùn. Calcium sulphate (CaSO4) sinh ra cáu cặn cứng ảnh hưởng tới sự trao nhiệt. Magnesium carbonate (MgCO3) sinh ra cáu cặn và có thể gây bùng sôi. Silicic acid tác dụng với calcium, sodium, magnesium tạo thành cáu cặn ảnh hưởng tới sự trao nhiệt. Các muối nhôm, sắt và các hydroxit sắt sinh ra bùn và gây bùng sôi, giảm chất lượng nước nồi. 6.1.2. Tiêu chuẩn nước cấp nồi hơi Để giảm các tác hại do tạp chất trong nước nồi hơi gây ra cần phải khống chế hàm lượng các tạp chất trong nước nồi, đặc biệt là đối với các nồi hơi thông số cao, có cường độ bay hơi lớn. Các giá trị hàm lượng tạp chất cho phép trong nước nồi hơi cũng khác nhau tuỳ theo kiểu loại nồi hơi. Trong quá trình khai thác cần thường xuyên kiểm tra chất lượng nước nồi hơi để kịp thời áp dụng các biện pháp xử lý nhằm đảm bảo chất lượng nước. Bảng 6.1 chỉ ra tiêu chuẩn của nước cấp nồi hơi và nước nồi hơi theo tiêu chuẩn của Nhật bản đang được sử dụng trên các tàu thủy hiện nay. 133 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Bảng 6.1. Tiêu chuẩn nước cho các nồi hơi thấp và trung áp. Áp suất khai thác lớn nhất (MPa) tới 1MPa Loại nước bổ xung dùng cho nồi hơi 1MPa - 2MPa Nước chưng cất và nước ngưng tụ Độ pH ở 25 0C 8.0 - 9.2 8.0 - 9.2 Độ cứng (mgCaCO3/l) 5 5 Lượng chất béo, dầu (mg/l) nhỏ nhỏ Lượng ôxy hoà tan (mgO2/l) nhỏ nhỏ Tổng lượng sắt (mgFe/l) 0.1 0.1 Tổng lượng đồng (mgCu/l) - - Lượng hydrazine (mgN2H4/l) - - Phương pháp xử lý xử lý kiềm xử lý kiềm Độ pH ở 25 0C 10.5 - 11.5 10.8 - 11.3 Độ dẫn điện ở 25 0C (s/cm) 1000 1000 Độ kiềm phenol (P-alkalility) (mgCaCO3/l) 100 - 150 100 - 150 Độ kiềm tổng (M-alkalility) (mgCaCO3/l) 200 - 300 200 - 300 Lượng chloride (mgCl- /l) 50 10 Lượng ion phosphate (mgPO4-/l) 20 - 40 10 - 30 Lượng silica (mgSiO2/l) 50 20 Nước cấp Nước nồi hơi 134 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Lượng hydrazine (mgN2H4/l) 0.1 - 0.3 0.1 - 0.3 Trong đó một số tiêu chuẩn được định nghĩa như sau. Độ pH: là lượng ion H+ trong nước. Độ pH thường được xác định ở 250C. Nước được coi là trung tính khi có độ pH bằng 7. Nếu pH lớn hơn 7, nước có tính kiềm. Ngược lại khi pH nhỏ hơn 7, nước có tính axit. Độ cứng: được định nghĩa là lượng Ca và Mg có trong nước quy đổi ra lượng calcium carbonate (CaCO3). 1 mg CaCO3 có trong 1 lít nước thì độ cứng của mước là 1 phần triệu (part per million – ppm). Nếu trong 1 lít nước có 1 mg CaO, với phân tử lượng của CaO là 56; của CaCO3 là 100, lượng Ca quy đổi ra CaCO3 là 56/100 = 0.56, hay độ cứng của nước là 0.56 ppm. Độ cứng được chia ra độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh cửu. Độ cứng tạm thời là lượng muối bicarbonate của Ca và Mg (CaHCO3, MgHCO3). Các muối này sẽ bị phân hủy thành CaCO3, MgCO3 khi gặp nhiệt độ cao, chúng kết tủa dưới dạng cáu bùn dễ dàng xả ra ngoài. Độ cứng vĩnh cửu là tổng các muối cứng khác ngoài các muối cứng tạm thời kể trên. Các muối này có thể là MgSO4, CaSO4, MgCl2, CaCl2, MgSiO3, CaSiO3… Các muối này rất khó loại trừ, chúng gây ra cáu cặn trên các bề mặt trao đổi nhiệt và gây ăn mòn kim loại trong nồi hơi. Độ kiềm (alkalility): là đại lượng biểu thị lượng axít cần thiết để đưa nước đến trạng thái có giá trị độ pH nào đó. Độ kiềm được chia ra độ kiềm tổng (M-alkalility hay T-alkalility) và độ kiềm phenol (P-alkalility). Trong đó độ kiềm tổng là lượng axít cần thiết để đạt được điểm trung hòa có độ pH là 4.8, còn độ 135 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng kiềm phenol là lượng axít cần thiết để đạt được độ pH là 8.3. Khi xác định độ kiềm, chất methyl đỏ được dùng để xác định độ kiềm tổng, còn phenoltalein được dùng để xác định độ kiềm phenol. Hàm lượng ion chloride: là lượng ion Cl trong các muối MgCl2, NaCl, CaCl2. Thành phần này, nếu xuất hiện với nồng độ lớn sẽ kết hợp với các ion H+, hình thành axít HCl, gây ra ăn mòn kim loại mãnh liệt. Hàm lượng ion phophaste đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ các thành phần cứng (Ca, Mg). Ví dụ: khi trong nước nồi hơi có các thành phần cứng, nếu sử dụng phosphoric soda (Na3PO4) thì các thành phần cứng sẽ kết hợp với các ion phosphate để tạo thành cáu bùn, có thể xả ra ngoài theo phản ứng sau: 3CaSO4 + 2 Na3PO4 = Ca3(PO4)2 (kết tủa) + 3Na2SO4. 6.2. Ảnh hưởng của tạp chất đến sự hoạt động của nồi hơi Ảnh hưởng của tạp chất gây ra cho nồi hơi có thể chia ra làm ba nhóm: gây cáu cặn trên các bề mạt trao đổi nhiệt (scale problem); ăn mòn kim loại (corrosion) ; và gây ra hiện tượng tạp chất cuốn theo hơi (carryover problem). Phần dưới sẽ nghiên cứu cơ chế gây ra các hiện tượng trên. Các tác hại do tạp chất trong nước nồi hơi được tóm tắt trong Bảng 6.2. 136 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Bảng 6.1. Các tác hại do tạp chất trong nước nồi hơi gây ra. Tác hại Loại nồi hơi Hiện tượng - Hình thành cáu cặn Thấp áp - Cao áp - Thấp áp Ăn mòn kim loại - Cao áp - Thấp áp Nguyên nhân Hình thành cáu cặn do các thành phần cứng (Ca, Mg) hoặc silica trên các bề mặt trao đổi nhiệt. Có thể làn giòn hặc nổ vỡ các ống bay hơi Đóng cáu cặn của các ôxít kim loại như ôxít sắt trên các vùng tải nhiệt cao, có thể gây giòn hoặc nổ vỡ ống. Ăn mòn các bề mặt trao đổi nhiệt trong nồi hơi và ăn mòn trên đường nước ngưng, nước cấp do các khí hòa tan (O2, CO2). Ăn mòn do cáu cặn của các ôxít kim loại trên các bề mặt trao đổi nhiệt. Ăn mòn do cáu cặn của các ôxít kim loại trên các bề mặt trao đổi nhiệt. Ăn mòn do xuất hiện các chất gốc bazơ (xút). Ăn mòn trên đường nước ngưng và nước cấp do các khí hòa tan. Giảm độ tinh khiết của hơi. Ảnh hưởng đến sự làm việc của thiết bị tiêu dùng hơi. - - - - - - - 137 Do chất lượng nước kém, nước không được làm mềm, không xử lý trao đổi ion. Do không xả mặt, xả đáy định kỳ. Do không áp dụng xử lý nước bằng hóa chất. Do không áp dụng xử lý nước bằng hóa chất. Không xử lý thỏa đáng độ pH và lượng khí hòa tan. Không loại trừ các sản phẩm gây ăn mòn từ phần ngưng tụ và nước cấp. Ăn mòn xảy ra ở các chế độ không ổn định (khi mới đốt hoặc khi dừng). Do các chất gây ăn mòn từ nước ngưng và nước cấp mang vào nồi hơi. Không xử lý thỏa đáng độ pH, lượng khí hòa tan và hàm lượng kiềm Phênol (xem phần hóa nghiệm nước). Ăn mòn xảy ra ở các chế độ không ổn định. Do tăng tải đột ngột (mở nhanh van hơi chính). Do không xử lý nước tốt, hàm lượng tạp chất lơ lửng nhiều. Do hư hỏng bộ phân tách hơi. NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng - Tạp chất cuốn theo hơi Cao áp Xảy ra do hư hỏng hoặc thủng bộ sấy hơi. Gây đóng cáu cặn trên cánh tua bin hơi, giảm hiệu suất tua bin. - - Chất lượng nước nồi hơi kém, đặc biệt hàm lượng silica quá cao. Các tạp chất lơ lửng và các hydrat kim loại trong nước cấp mang vào nồi hơi do xử lý nước cấp không tốt. Do xử lý hoá chất không hợp lý. 6.2.1. Cơ chế hình thành cáu cặn Cơ chế hình thành cáu cặn có sự khác biệt đối với nồi hơi thấp áp và nồi hơi cao áp. Đối với nồi hơi thấp áp, nước sử dụng cho nồi hơi thường là nước công nghiệp, nước được làm mềm hoặc nước chưng cất (lấy từ hệ thống chưng cất nước ngọt trên tàu thủy). Ở đây các chất gây ra sự hình thành cáu cặn chủ yếu là các thành phần cứng và silica. Khi các thành phần cứng và silica hoà tan trong nước được cấp vào nồi hơi, dưới tác dụng của nhiệt độ cao và các phản ứng hoá học chúng phân rã thành các chất không hoà tan bám lên các bề mặt trao nhiệt. Thêm vào đó, khi hàm lượng các chất hoà tan kém lớn hơn hàm lượng bão hoà, chúng cũng kết tủa và bám lên các bề mặt kim loại mà chúng tiếp xúc. Các lớp cáu cặn này có khả năng dẫn nhiệt rất kém (khoảng 0.2 1kcal/m.h.oC). Chúng không chỉ làm giảm hiệu suất nhiệt mà còn gây quá nhiệt cục bộ, làm giòn hoặc cháy hỏng các bề mặt trao nhiệt. Các tính toán trao đổi nhiệt chỉ ra rằng, nếu nhiệt độ cho phép của kim loại sản xuất các bề mặt trao đổi nhiệt nồi hơi khoảng 450 – 500oC (thép cácbon), thì độ dày lớp cáu cặn cho phép phải nhỏ hơn 1 – 2 mm. Để giảm sự đóng cáu cặn nồi hơi cần phải kiểm soát chất lượng nước nồi hơi bằng các biện pháp sau: Xử lý loại trừ các thành phần cứng bằng các bộ làm mềm nước. Sử dụng các hoá chất xử lý nước để làm mất các thành phần cứng và hoà tan cặn. Kiểm soát chặt chẽ hàm lượng các tạp chất. 138 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Đối với các nồi hơi cao áp, tải nhiệt càng cao thì khả năng đóng cáu cặn càng tăng. Vì vậy những nồi hơi này nên sử dụng nước chưng cất, là nước có chất lượng cao. Khi đó các chất gây đóng cáu cặn thường là các thành phần mang theo từ nước cấp và nước ngưng tụ như các ôxit sắt và các chất như đồng, nikel, kẽm và hợp kim của chúng. Các thành phần này lẫn vào nước cấp do quá trình ăn mòn, xói mòn tại các thiết bị sử dụng trong hệ thống như đường ống, bầu ngưng ... Cáu cặn hình thành từ các ôxit sắt có hệ số dẫn nhiệt rất nhỏ (khoảng 1 kcal/m.h.oC). Chúng làm ngăn cản quá trình truyền nhiệt, tăng nhiệt độ kim loại, gây quá nhiệt các bề mặt trao đổi nhiệt, giảm tuổi thọ nồi hơi. Đối với các nồi hơi cao áp có tải nhiệt lớn, để đảm bảo kim loại sản suất các bề mặt trao đổi nhiệt không bị quá nhiệt, cần đảm bảo rằng độ dày lớp cáu cặn không quá 0.15 – 0.2 mm. Để giảm tác hại do cáu cặn gây nên ở nồi hơi cao áp cần thực hiện các biện pháp sau: Cần giảm tối đa lượng tạp chất mang theo từ nước cấp và nước ngưng bằng cách sử dụng các biện pháp xử lý nước cấp nồi như độ pH (hàm lượng axít), các chất loại bỏ sắt. Định kỳ kiểm tra các bề mặt trao nhiệt tại những nơi có tải nhiệt cao, xem xét mức độ đóng cáu cặn để áp dụng các hoá chất tẩy rửa phù hợp. 6.2.2. Cơ chế ăn mòn các bề mặt trao nhiệt a) Ăn mòn ở nồi hơi thấp áp Cơ chế ăn mòn ở nồi hơi thấp áp và nồi hơi cao áp cũng khác nhau. Ở nồi hơi thấp áp, mức độ ăn mòn phụ thuộc vào nồng độ các tác nhân gây phản ứng ăn mòn như: độ pH, lượng khí O2, CO2 hoà tan các chất hoà tan khác và điều kiện gây ăn mòn như: nhiệt độ bề mặt, tốc độ dòng chảy... Tuy nhiên các tác nhân chính gây ăn mòn ở nồi hơi thấp áp là các khí hoà tan và độ pH. Ăn mòn ở nồi hơi thấp áp có thể chia ra 139 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng ba vùng: ăn mòn trên đường nước cấp; ăn mòn trong nồi hơi; và ăn mòn trên đường nước ngưng. Ăn mòn trên đường nước cấp: Thường là ăn mòn điện hoá. Nếu nước cấp nồi là trung tính hoặc có tính kiềm nhưng chứa các khí hoà tan như ôxy thì kim loại sẽ bị ăn mòn theo các phản ứng sau: Fe Fe2+ + 2e (1) H2O + 1/2O2 + 2e 2OH- (2) 2+ - Fe + 2OH Fe(OH)2 (3) Hydroxit sắt hai (Fe(OH)2 hay ferrous) tạo ra sẽ tác dụng tiếp với ôxy hoà tan để tạo thành hydroxit sắt ba (Fe(OH)3 hay ferric) còn được gọi là rỉ vàng. Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4 Fe(OH)3 (4) Ăn mòn bên trong nồi hơi: Ở các nồi hơi thấp áp thường gây ra bởi lượng ôxy hoà tan, các chất gây ăn mòn khác hoặc do nồng độ kiềm cao. Cơ chế ăn mòn do lượng ôxy hoà tan như sau (Hình 6.1): Bình thường bề mặt kim loại được bao phủ bởi một lớp ôxit sắt rất mỏng, chúng đóng vai trò như là lớp màng bảo vệ. Nếu do lý do nào đó lớp màng này bị phá vỡ (do chất lượng nước kém, ứng suất nhiệt), bề mặt thép sẽ tiếp xúc trực tiếp với nước. Khi đó các phân tử sắt sẽ bị ôxy hoá thành ion sắt Fe2+. Nếu trong nước có ôxy, sắt sẽ bị ăn mòn như các phản ứng (3), (4). Hydroxit sắt tạo thành sẽ bám lên bề mặt bị ăn mòn. Khi đó nồng độ ôxy tại bề mặt bị ăn mòn sẽ nhỏ hơn nồng độ ôxy ở các vùng lân cận và hình thành 'pin nồng độ ôxy' cục bộ. Khi đó vùng có nồng độ ôxy cao (cathode) có trữ lượng điện cao hơn và xuất hiện dòng điện từ vùng có nồng độ ôxy cao đến vùng có nồng độ ôxy thấp (anode), các điện tử tự do thì bị hút đến vùng có nồng độ ôxy cao (cathode). Kết quả là các phân tử sắt ở vùng có nồng độ ôxy thấp sẽ tiếp tục bị ăn mòn sâu vào phần vách trao nhiệt. Còn ở vùng có nồng độ ôxy cao sẽ có phản ứng sau: 140 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 2H+ + 2e = H2 (5) H2 + 1/2O2 = H2O (6) Nếu trong nước nồi hơi tồn tại các ion âm gây ăn mòn như Cl-, SO42-, quá trình ăn mòn sẽ tăng lên nếu có sự xuất hiện của lượng ôxy hòa tan. Cathode Fe2+ Cathode Cathode Fe2+ Nước màng bảo vệ Cathode Nước màng bảo vệ Fe Fe Anode 2e 2e Fe Fe Anode 2e 2e Hình 6.6. Cơ chế ăn mòn bên trong nồi hơi do lượng ôxy hòa tan. Ăn mòn ở nồi hơi thấp áp cũng có thể do sự xuất hiện của các chất gây ăn mòn trong nước cấp. Các chất gây ăn mòn như ôxit sắt, ôxit đồng sinh ra trên đường nước cấp, chúng được đưa vào nồi hơi và lắng đọng ở các vùng kém tuần hoàn, dưới đáy nồi hơi, bám thành cáu cặn trên các bề mặt trao nhiệt có tải nhiệt cao. Điều này gây ra ăn mòn do sự hình thành 'pin nồng độ ôxy' khi xuất hiện lượng khí ôxy hòa tan như đã nêu trên. Khi các bề mặt bốc hơi chịu tải nhiệt cao, chúng có thể bị quá nhiệt cục bộ. Khi đó bề mặt kim loại có thể bị ăn mòn kiềm nếu nồng độ kiềm cao. Tuy nhiên, hiện tượng ăn mòn kiềm hiếm khi xảy ra đối với các nồi hơi thấp áp. Để hạn chế ăn mòn các bề mặt trao đổi nhiệt ở nồi hơi thấp áp, cần áp dụng các biện pháp sau: Áp dụng các biện pháp hạn chế lượng ôxy hòa tan trong nước cấp. 141 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Điều chỉnh độ pH và hạm lượng kiềm trong nước nồi hơi hợp lý. Tránh sự xâm nhập của các chất gây ăn mòn vào trong nước nồi hơi bằng cách khai thác hợp lý các thiết bị phụ trên đường nước ngưng và nước cấp. Ăn mòn trên đường nước ngưng: Thường xảy ra do sự xuất hiện của ôxit cácbon. Khi trong nước cấp nồi hơi có các muối carbonate và bicarbonate, chúng sẽ bị phân rã dưới tác dụng của nhiệt độ cao sinh ra khí ôxit cacbon. 2NaHCO3 Na2CO3 + H2O + CO2 (7) Na2CO3 + H2O 2NaOH + CO2 (8) Khí ôxit cacbon này đi cùng với hơi nước và cuối cùng hoà tan vào nước ngưng tạo thành carbonic axít (H2CO3). CO2 + H2O H2CO3 (9) H2CO3 = H+ + HCO3- (10) - + HCO3 = H + CO3 2- (11) Axít này gây ăn mòn kim loại như sau: Fe + 2H2CO3 Fe(HCO3)2 + H2 (12) Nếu trong nước ngưng có ôxy, quá trình ăn mòn sẽ tiếp tục như sau: Fe(HCO3)2 + 1/2O2 Fe2O3 + 4CO2 + 2H2O (13) b) Ăn mòn ở nồi hơi cao áp Ăn mòn trên đường nước cấp: Ở nồi hơi cao áp thường sử dụng nước chưng cất làm nước cấp và có áp dụng bộ khử khí để loại bỏ các khí hòa tan, nên ăn mòn trên đường nước cấp là rất ít. Tuy nhiên, phần hệ thống sau bộ khử khí có nhiệt độ cao hơn có thể bị ăn mòn nếu khai thác bộ khử khí không hợp lý hoặc xử lý nước không tốt. Để giảm ăn 142 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng mòn trên đường nước cấp cần phải làm tốt việc xử lý nước cấp nhằm điều chỉnh độ pH, lượng ôxy hoà tan và các tạp chất rắn gây ăn mòn. Ăn mòn bên trong nồi hơi ở nồi hơi cao áp có thể do lượng ôxy hoà tan, các tạp chất rắn hoặc do hàm lượng kiềm cao. Vì nồi hơi cao áp sử dụng nước chưng cất có qua bộ khử khí nên thường ít xảy ra ăn mòn do lượng ôxy hoà tan. Tuy nhiên ăn mòn thường xảy ra ở thời gian khởi động hay khi tải nồi hơi thấp vì khi đó hoạt động của bộ khử khí bị hạn chế. Để giảm hiện tượng ăn mòn này nên điều chỉnh độ pH của nước nồi hơi tăng lên khi khởi động hoặc ở chế độ nhỏ tải vì sự ăn mòn giảm khi độ pH tăng. Đồng thời tăng liều lượng hoá chất xử lý ôxy hoà tan. Cơ chế gây ăn mòn do lượng kiềm cao ở nồi hơi cao áp như sau: nếu có bề mặt trao nhiệt nào đó bị quá nhiệt do tải nhiệt cao, tại đó các tạp chất có khả năng hoà tan thấp lắng đọng trên bề mặt, còn các tạp chất dễ hoà tan như NaOH tập trung xung quanh. Khi mật độ của chúng đạt xấp xỉ 20% thì quá trình ăn mòn kim loại xảy ra mạnh theo phản ứng sau: Fe + 2NaOH Na2FeO2 + H2 (14) 3Na2FeO2 + 4H2O 6NaOH + Fe3O4 + H2 (15) 3Na2FeO2 + 3H2O + 1/2O2 6NaOH + Fe3O4 (16) Các hợp chất kiềm khác như K3PO4, K2HPO4 cũng gây ăn mòn. Để tránh ăn mòn do kiềm gây ra cần xử lý hàm lượng phosphate để trung hoà lượng kiềm dư. Khi các tạp chất gây ăn mòn được mang vào từ nước cấp hoặc khi nước biển làm mát dò lọt thì quá trình ăn mòn kim loai sẽ xảy ra. Trường hợp thứ nhất, các chất gây ăn mòn bám vào các bề mặt có tải nhiệt cao, chúng gây ăn mòn kim loại khi xuất hiện hàm lượng kiềm cao, hoặc gây ăn mòn do xuất hiện pin nồng độ ôxy, nếu trong nước tồn tại ôxy hòa tan. Trường hợp nước biển dò lọt vào nước cấp, ăn 143 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng mòn kim loại diễn ra như sau: magnesium chloride có trong nước biển sẽ tác dụng với nước: MgCl2 + 2H2O Mg(OH)2 + 2HCl (17) 2HCl + Fe FeCl2 + H2 (18) Hai hợp chất tạo thành lại hoá hợp với nhau giải phóng MgCl2, và quá trình ăn mòn diễn ra lặp đi lặp lại. FeCl2 + Mg(OH)2 MgCl2 + Fe(OH)2 (19) Khi này nếu trong nước có nồng độ kiềm nhất định, thì lượng kiềm này sẽ trung hòa axít clohydric sinh ra. Tuy nhiên, hàm lượng kiềm dư này không nhiều và sẽ hết nếu quá trình dò lọt nước biển xảy ra trong thời gian dài. 6.2.3. Hiện tượng tạp chất và các hạt nước cuốn theo vào hơi Hiện tượng tạp chất và nước cuốn theo vào hơi (carry-over) có thể xảy ra trong hai trường hợp: bốc hơi mãnh liệt (priming) và bùng sôi (foaming). Bốc hơi mãnh liệt là hiện tượng xảy ra khi có sự bốc hơi mãnh liệt bên trong nồi hơi. Điều này dẫn đến những hạt nước và bong bóng nước bị cuốn theo, lẫn vào lượng hơi đưa đi tiêu dùng. Hiện tượng này thường xảy ra khi tăng tải tiêu dùng hơi đột ngột (ví dụ khi mở nhanh van hơi chính). Khi tải tiêu dùng hơi tăng đột ngột, áp suất trong không gian hơi bị giảm đột ngột, gây ra sôi trào, làm cho một lượng nước bị cuốn theo lẫn vào hơi nước. Bùng sôi là hiện tượng̣ hóa hơi trong nồi hơi kèm theo sự suất hiện nhiều bong bóng hơi. Các bóng hơi này kéo theo một lượng nước và các tạp chất cuốn vào lượng hơi nước đưa đi sử dụng. Hiện tượng này thường xảy ra khi trong nước lẫn váng dầu hoặc hàm lượng các tạp chất lơ lửng trên hoặc gần khu vực mặt phân cách nước-hơi quá lớn. 144 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Cả hai hiện tượng trên đều gây ra lẫn nước vào trong hơi công tác và có thể gây ra các tác hại sau: Gây ra biến động mạnh mức nước nồi hơi và thường khó xác định mức nước nồi trên ống thủy. Các tạp chất và nước có thể cuốn vào các thiết bị như van an toàn, ống thủy, thiết bị chỉ báo mức nước từ xa, ống nối áp kế gây sai số các thiết bị trên. Một lượng nước cuốn theo hơi đọng lại trên các đoạn ống, thiết bị gây hiện tượng búa nước (water hammer – xem thêm chương Khai thác nồi hơi) làm tắc các ống, thậm chí vỡ ống. Khi xảy ra bùng sôi mức nước nồi hơi có thể sụt bất ngờ và không ổn định. Điều này có thể làm cho các thiết bị bảo vệ mức nước hoạt động, gây báo động hoặc dừng nồi hơi. Ở các nồi hơi áp suất cao cấp hơi cho tua bin, các tạp chất và nước cuốn theo hơi gây đóng cáu cặn trên cánh tua bin, làm giảm hiệu suất tua bin, gây ra hiện tượng thủy kích, phá hỏng tua bin. Hơi lẫn nước và tạp chất có thể tràn vào bộ sấy hơi, gây đóng cáu cặn trên các cụm ống. Lượng nước cuốn theo vào bộ sấy hơi tiếp tục nhận nhiệt, hóa thành hơi, có thể làm tăng áp suất đột ngột ở bộ sấy hơi, gây nổ van an toàn của bộ sấy hơi. Để tránh các hiện tượng trên cần chú ý không thay đổi tải nồi hơi đột ngột, không khai thác nồi hơi với mức nước nồi quá cao. Đặc biệt cần tuân thủ chặt chẽ quy trình giám sát, xử lý nước nồi hơi, thực hiện gạn mặt, xả đáy thường xuyên để xả cáu cặn và các tạp chất lơ lửng trên bề mặt phân cách. Khi xảy ra hiện tượng sôi trào hoặc bùng sôi trên cần làm các bước sau: 145 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Nếu mức nước nồi quá cao cần xả bớt để duy trì mức nước bình thường. Đóng van hơi chính sau đó mở từ từ. Nếu hiện tượng gây ra do tăng tải nồi hơi đột ngột, cần giảm cường độ đốt nhiên liệu để mức nước ổn định sau đó tăng từ từ (chỉ áp dụng với các nồi hơi có thể thay đổi chế độ cấp nhiên liệu). Nếu mật độ tạp chất trong nước quá cao, cần tăng cường gạn mặt, xả đáy để giảm mật độ tạp chất. Kiểm tra lại sự hoạt động của van an toàn, xả nước đến áp kế, ống thủy để khẳng định sự làm việc bình thường của chúng. 6.3. Xử lý nước nồi Trong nước cấp nồi hơi có thể chứa nhiều tạp chất. Nếu nước không được xử lý, các tạp chất này sẽ gây rất nhiều tác hại làm giảm hiệu quả khai thác nồi hơi như đã đề cập ở phần trước. Xử lý nước nồi hơi có thể chia ra xử lý dùng thiết bị và xử lý dùng hoá chất. Việc xử lý nước nồi hơi bằng các thiết bị xử lý thường được thực hiện đối với nước trước khi cấp vào nồi hơi. Các phương pháp này thuộc nhóm xử lý nước bên ngoài nồi hơi. Trong khi xử lý hóa chất là sử dụng các hóa chất cần thiết cấp vào nồi hơi để trung hòa hoặc hòa tan các thành phần gây cáu cặn, ăn mòn. 6.3.1. Xử lý nước ngoài nồi hơi Đối với nước trước khi cấp vào nồi hơi có thể áp dụng các phương pháp xử lý như: lắng lọc tự nhiên, lọc nước bằng lưới lọc (filtration), trao đổi ion (ion exchanger), khử các khí hòa tan (deaerator). Việc trao đổi ion được thực hiện trong các bộ làm mềm nước (water softener). 146 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng a) Lọc nước cấp nồi Nước cấp nồi hơi thường bao gồm một lượng nước mới bổ xung (từ nước công nghiệp hoặc máy chưng cất nước) còn lại là nước ngưng tụ. Trong nước bổ xung có thể có lẫn các tạp chất bắt nguồn từ nguồn nước công nghiệp, còn trong nước ngưng tụ có thể lẫn các tạp chất tạo lẫn vào hệ thống hoặc hình thành do các quá trình ăn mòn, xói mòn như ôxit kim loại, dầu... Để lọc các tạp chất này trước khi cấp vào nồi hơi thường sử dụng thiết bị lọc trọng lực dưới áp suất môi trường, bố trí ở két nước bổ xung cho nồi hơi. Két này thường được chia thành nhiều khoang bới các vách ngăn, vì vậy thường được gọi là két vách (cascade tank). Hình 6.2 mô tả một két nước bổ xung có bố trí các phương án lọc nước. Khi đi qua két vách, các tạp chất nổi như váng dầu, nổi lên, tạp chất rắn lắng xuống đáy và được giữ lại. Nước sạch đi qua các vách chắn tràn vào phin lọc than, ở đây một số tạp chất hoà tan bị hấp thụ. Sau đó nước được dẫn qua phin lọc tinh để lọc các tạp chất nhỏ trước khi được bơm cấp nước cấp trở lại nồi hơi. Các tạp chất nổi, váng dầu được xả ra ngoài bởi van xả mặt, còn các tạp chất lắng đọng phía dưới thì được xả bởi van xả đáy. Hình 6.7. Lọc nước cấp nồi hơi trong két vách. 147 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng b) Thiết bị làm mềm nước Một trong các biện pháp xử lý nước là sử dụng các phản ứng trao đổi ion để loại trư các ion có hại. Xử lý nước bằng trao đổi ion có thể chia ra xử lý làm mềm nước (softening treament) và xử lý khử khoáng (demineralization). Xử lý làm mềm nước còn có thể phân ra làm mềm thông thường và xử lý khử độ kiềm (dealkalization softening treament). Các chất sử dụng cho phản ứng trao đổi ion thường được ký hiệu chung là R (Resin). Trao đổi ion có thể chia ra trao đổi ion dương và trao đổi ion âm như sau: Trao đổi ion dương natri: R-Na2 Trao đổi ion dương hydro: R-H2 Trao đổi ion dương âm hydroxit: R-OH Ở các nồi hơi thấp áp, các thành phần gây cáu cặn chủ yếu là các ion cứng Ca2+, Mg2+. Vì vậy thường chỉ áp dụng các bộ làm mềm nước thông thường để loại bỏ chúng. Mục đích của việc làm mềm nước là loại bỏ các ion cứng như Ca2+, Mg2+ trong nước cấp. Để loại bỏ các ion cứng này, người ta sử dụng biện pháp thay thế chúng bằng các ion khác, thường là Na+. Vì vậy các chất sử dụng để làm mềm nước cho nồi hơi thấp áp thường có gốc sodium như đá bọt, một số loại nhựa. Mg2+ HCO-3 Ca2+ ClNa+ SO-4 NaCl SiO2 Na + HCO-3 ClSO-4 SiO2 148 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hình 6.8. Trao đổi ion làm mềm nước nồi hơi Hình 6.3 mô tả mô hình làm mềm nước bằng trao đổi ion. Ví dụ, nếu trong nước có chứa Ca2+, phản ứng trao đổi ion dương natri sẽ xảy ra như sau: CaSO4 + R-Na2 R-Ca + Na2SO4 (phản ứng làm mềm) (20) Trong phản ứng trên, thành phần cứng, Ca2+, đã được thay thế bằng ion Na+, muối Na2SO4 hình thành không gây cáu cặn bên trong nồi hơi. Thành phần R-Ca được giữ lại ở thiết bị làm mềm nước. Khi các ion Ca2+ được thay thế bởi các ion Na+ và được giữ lại ở thiết bị làm mềm, có thể dùng NaCl để tái sinh chất trao đổi ion như sau: R-Ca + 2NaCl R-Na2 + CaCl2 (phản ứng tái sinh) (21) c) Thiết bị chưng cất nước Một trong những phương pháp đảm bảo chất lượng nước cấp nồi hơi là sử dụng nước chưng cất. Trên hầu hết các tàu thủy biện đại đều được trang bị thiết bị sản xuất nước ngọt từ nước biển (Fresh Water Generator). Thiết bị chưng cất này sử dụng nguyên lý đun sôi và làm bay hơi nước biển ở áp suất thấp (sôi ở 45 – 600C). Hơi nước sinh ra, sau đó được ngưng tụ lại và đưa đi sử dụng. Nguồn năng lượng dùng để đun sôi nước biển được lấy từ nước làm mát máy chính. Sản lượng nước ngọt sinh ra thông thường đủ cho sinh hoạt của toàn bộ thuyền viên và các thiết bị sử dụng nước ngọt. 149 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hình 6.9. Hệ thống chưng cất nước ngọt Atlas. Nước chưng cất từ các thiết bị chưng cất hiện đại có chất lượng rất tốt, nồng độ muối thường nhỏ hơn 1 phần triệu (1ppm) và rất ít các tạp chất có hại nên sử dụng rất tốt cho nồi hơi. Vì vậy các nồi hơi tàu thủy, đặc biệt là nồi hơi cao áp, thường được khuyên sử dụng nước chưng cất làm nước cấp nồi hơi. Hình 6.4 là một sơ đồ hệ thống chưng cất nước ngọt dưới tàu thủy. d) Thiết bị khử khí Thiết bị khử khí được dùng để loại trừ các khí hoà tan như ôxy, ôxit cacbon – là các tác nhân chính gây ăn mòn kim loại. Thiết bị khử khí cho nước cấp nồi hơi thường áp dụng nguyên lý cơ bản là hàm lượng khí hoà tan trong nước sẽ bằng không khi nước ở tại điểm sôi. Có thể có thiết bị khử khí kiểu chân không hoặc thiết bị khử khí kiểu hâm nóng. Dưới tàu thủy thường áp dụng thiết bị khử khí kiểu hâm nóng. Nước cấp nồi được phun vào buồng khử khí dưới dạng các tia nước. Nước này tiếp xúc trực tiếp với hơi nước phun vào lấy từ nồi hơi. Nhờ sự hòa trộn này, nhiệt độ của nước cấp tăng đến nhiệt độ bão hoà 150 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng (khoảng 105 – 125oC). Ở nhiệt độ này, lượng khí hòa tan sẽ tách ra và được xả ra ngoài cùng với một lượng nhỏ hơi nước. Nước đã được khử khí có nồng độ khí hoà tan nhỏ hơn 0.007mg/l. 6.3.2. Xử lý nước trong nồi hơi Việc xử lý nước ngoài nồi cho dù có được thực hiện tốt cũng không thể loại hết các tạp chất có hại. Do vậy cần áp dụng xử lý nước bằng hoá chất. a) Các loại hoá chất xử lý nước nồi hơi Các hoá chất cơ bản dùng để xử lý nước nồi hơi được tóm tắt trong Bảng 6.3. Bảng 6.2. Một số hóa chất xử lý nước nồi hơi tàu thủy Hoá chất Chức năng Hoá chất điều chỉnh độ pH, nồng độ kiềm trong nước cấp và nước nồi hơi, tránh cáu cặn, ăn mòn Tên Công thức Sodium hydroxide NaOH Sodium carbonate Na2CO3 Sodium phosphate Na3PO4 Sodium dihydrogen phosphate NaH2PO3 Sodium hexametaphosphate (NaPO2)6 Phosphoric acid H3PO4 Sodium tripolyphosphate Hoá chất làm mềm: chống cáu cặn bằng cách làm mất độ cứng, tạo thành các chất không hoà tan lắng xuống đáy Sulfuric acid H2SO4` Sodium hydroxide NaOH Sodium phosphate Na3PO4 Potasium phosphate K3PO4 Sodium hydrogenphosphate Na2HPO4 Sodium polyphosphate 151 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hoá chất hoà tan cặn: hoà tan cặn để cặn lắng xuống và xả ra ngoài, tránh đóng cáu cặn Synthetic polymer Tannin Lignin Starch Hoá chất khử khí: khử các khí hoà tan trong nước, tránh ăn mòn Sodium sulfite Na2SO4 Sodium hydrogen sulfite NaHSO4 Hydrazine N2 H4 Saccharoid Tannin Hoá chất chống bùng sôi Surfactant Hoá chất chống ăn mòn do CO2 trên đường nước ngưng Ammonia NH3 Morpholine O(CH2CH2)2NH Cyclohexylamine Alkylamine Việc xử lý nước bằng hoá chất nhằm đạt được các mục đích sau: Các thành phần dễ đóng cáu cặn được chuyển thành cặn bùn xả ra ngoài bằng con đường xả đáy. Độ pH của nước nồi hơi được điều chỉnh để có nồng độ kiềm phù hợp tránh ăn mòn kim loại. Loại trừ các khí không hoà tan như ôxy, ôxit cacbon tránh ăn mòn kim loại. Loại trừ ăn mòn trên đường nước ngưng do khí ôxit cacbon và ôxy. Tránh các tạp chất lẫn vào hơi, đảm bảo chất lượng hơi. Các hoá chất gốc phosphate dùng cho nồi hơi thấp áp: Các hoá chất gốc phosphate xử lý nước dùng cho nồi hơi thấp áp bao gồm: sodium phospate (Na3PO4); sodium hydrogenphosphate 152 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng (Na2HPO4); sodium dihydrogenphosphate (NaH2PO4); sodium hexameta phosphate (Na3PO4)6; sodium tripolyphosphate (Na5P3O10); và một số tác nhân kiềm khác như sodium hydrite (NaOH). Chúng giúp tránh cáu cặn bằng cách tác dụng với các thành phần cứng (Ca2+, Mg2+) để tạo thành các chất hoà tan và giữ cho các tạp chất silica hoà tan. Dưới đây trình bày các phản ứng phân hủy các thành phần cứng khi không xử lý hoá chất và có xử lý phosphate. Khi không xử lý hoá chất: Ca(HCO3)2 CaCO3(kết tủa) + CO2 + H2O (22) CaSO4 + Na2CO3 CaCO3(kết tủa) + Na2SO4 (23) Mg(HCO3)2 + SiO2 MgSiO3(kết tủa) + 2CO2 + H2O (24) SiO2 + Ca(HCO3)2 CaSiO3(kết tủa) + 2CO2 + H2O (25) SiO2 + Mg(HCO3)2 MgSiO3(kết tủa) + 2CO2 + H2O (26) Các thành phần CaCO3, CaSiO3, MgSiO3 dễ dàng kết tủa bám trên các bề mặt trao đổi nhiệt tạo thành cáu cặn. Nếu dùng các hoá chất gốc phosphate, sẽ có các phản ứng sau: 10Ca(HCO3)2 + 6Na3PO4 + 2NaOH [Ca3(PO4)2]3.Ca(OH)2+10CO2+10H2O (27) 10CaSO4 + 6Na3PO4 + 2NaOH [Ca3(PO4)2]3.Ca(OH)2 + 10Na2SO4 (28) Mg(HCO3)2 + 2NaOH Mg(OH)2 + Na2CO3 + CO2 + H2O (29) MgCl2 + 2NaOH Mg(OH)2 + NaCl (30) SiO2 + 2NaOH Na2SiO3 + H2O (31) Các sản phẩm tạo thành từ các phương trình trên đều là những chất hoà tan. Trong các phương trình trên, các chất có gạch chân là các hoá chất sử dụng. Các phương trình trên cũng cho phép xác định lượng hoá chất cần sử dụng nếu biết hàm lượng các tạp chất cần phải xử lý trong nước nồi hơi. Các hoá chất hoà tan cặn bùn: 153 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Khi sử dụng hoá chất các chất tạo thành sau phản ứng đều là các chất hoà tan và được xả ra ngoài bằng xả đáy. Tuy nhiên một phần nhỏ có thể vẫn lắng đọng trên các bề mặt trao nhiệt, đặc biệt là ở các vùng ít lưu động như đáy nồi hơi. Để tránh hiện tượng này người ta dùng một số hoá chất hoà tan cặn như tannin, starch, synthetic polymer. Các chất khử ôxy: Các chất khử ôxy nhằm làm giảm lượng ôxy hoà tan, tránh ăn mòn. Các hoá chất khử ôxy phổ biến là sodium sulfite (Na2SO3) và hydrazine (N2H4). Với sodium sulfite phản ứng khử ôxy như sau: 2Na2SO3 + O2 2Na2SO4 (32) Phản ứng này diễn ra chậm ở nhiệt độ thấp nhưng tăng nhanh khi nhiệt độ đạt trên 500C. Tuy nhiên sodium sulfite bị phân rã ở nhiệt độ cao tạo thành Na2S và SO2 là các chất gây ăn mòn nồi hơi và đường nước ngưng. Phản ứng phân rã như sau: Na2SO3 + H2O 2NaOH + SO2 (33) 4Na2SO3 Na2S + 3Na2SO4 (34) Vì vậy sodium sulfite không được dùng cho các nồi hơi cao áp. Với hydrazine phản ứng khử ôxy như sau: N2H4 + O2 N2 + 2H2O (35) Hoặc: 6Fe2O3 + N2H4 4Fe3O4 + N2 + H2O (36) 4Fe3O4 + O2 6Fe2O3 (37) Sản phẩm của các phản ứng trên đều là khí nitơ và nước nên lượng tạp chất rắn hoà tan không tăng. Do vậy hydrazine được sử dụng rất tốt cho nồi hơi cao áp và cả nồi hơi thấp áp. Tuy nhiên ở nhiệt độ khoảng 2200C, hydrazine bị phân hủy theo phản ứng sau: 154 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 3N2H4 4NH3 + N2 (38) Sản phẩm ammonia gây ăn mòn các vật liệu đồng sử dụng trong hệ thống và trên đường nước ngưng. Vì vậy cần chú ý không sử dụng quá liều lượng hydrazine. b) Gạn mặt và xả đáy nồi hơi Khi nồi hơi hoạt động một số tạp chất bị phân hủy dưới tác dụng của nhiệt độ hoặc hoá chất xử lý nước nồi. Chúng thường tồn tại ở dạng cặn bùn lắng dưới đáy nồi hơi. Các tạp chất này được xả ra ngoài qua hệ thống xả đáy. Một số tạp chất khác lơ lửng ở khu vực bề mặt bay hơi, nồng độ của chúng tăng dần làm giảm hiệu quả khai thác nồi hơi và có thể gây ra hiện tượng bùng sôi. Để tránh tác hại chúng được xả ra ngoài qua hệ thống xả mặt. Vì vậy thực hiện gạn mặt và xả đáy định kỳ nồi hơi là một công việc hết sức quan trọng. Các biện pháp xử lý nước nồi hơi khác phải được thực hiện kết hợp với gạn mặt, xả đáy để giữ cho chất lượng nước nồi hơi đảm bảo. Thông thường hệ thống gạn xả được thiết kế để xả định kỳ bằng tay. Một số nồi hơi công suất lớn có thể được trang bị hệ thống xả tự động liên tục. Thông thường công việc gạn xả được thực hiện hàng ngày. Tuy nhiên tuỳ theo chất lượng nước nồi hơi mà chu kỳ gạn xả có thể thay đổi cho phù hợp. Các bước cơ bản để gạn xả đã được trình bày ở chương trước. 6.4. Hóa nghiệm nước nồi hơi Việc xử lý nước nồi hơi thực chất là kiểm soát hàm lượng một số chất trong nước nồi hơi trong giá trị cho phép như: độ pH; hàm lượng kiềm (điều chỉnh hàm lượng kiềm cũng là gián tiếp điều chỉnh độ pH); hàm lượng ion chloride; hàm lượng ion phosphate hàm lượng ion sulfite, hydrazine; hàm lượng silica... Để làm được điều này trước hết cần thực hiện hoá nghiệm nước nồi hơi để xác định hàm lượng các chất cần điều 155 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng chỉnh, từ đó quyết định phương pháp xử lý nước. Dưới đây trình bày một số thao tác và một số bài hoá nghiệm cũng như liều lượng một số hóa chất dùng xử lý nước. Các bài hoá nghiệm này được đưa ra bởi hãng ASHLAND CHEMICAL AMEROID và đang được áp dụng rộng rãi cho các nồi hơi phụ trên các tàu thủy hiện nay với áp suất làm việc đến 32kG/cm2. 6.4.1. Kỹ thuật lấy mẫu thử và chuẩn bị dụng cụ Mẫu thử được lấy tại các van lấy mẫu trên nồi hơi hoặc trên đường nước ngưng. Việc lấy mẫu nên tuân thủ các hướng dẫn sau: 1. Mở van lấy mẫu xả nước ra từ 7 - 10 phút để rửa sạch đoạn van, ống lấy mẫu. 2. Nên mở van lấy mẫu trong suốt thời gian hoá nghiệm. Các dụng cụ hoá nghiệm phải được rửa kỹ bằng chính nước đem hoá nghiệm. Nếu việc thử bị trì hoãn thì mẫu nước phải được đậy kín. 3. Mẫu thử phải được lọc qua phin lọc giấy (filter paper) để lọc sạch các tạp chất rắn. Tấm giấy lọc được gấp thành hình côn để đặt được vào phễu lọc. 4. Mẫu thử cần được làm nguội đến nhiệt độ khoảng 250C trước khi đem hoá nghiệm. 5. Để đảm bảo độ chính xác, các hoá chất dùng cho hoá nghiệm phải được bảo quản cẩn thận trọng các lọ kín, để nơi khô ráo, mát. 6.4.2. Các bài hoá nghiệm cơ bản a) Xác định hàm lượng phosphate dư 1. Lấy 5ml mẫu thử đã được lọc, làm mát vào ống thử phosphate. 156 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 2. Đổ molybdate vào ống cho đến vạch 17.5ml. 3. Cho thêm một thìa bột Dry Stannous Chloride vào ống thử. 4. Đậy kín rồi lắc đều. Để sau 5 phút. 5. So sánh với hộp màu mẫu để xác định hàm lượng phosphate dư. Tuỳ thuộc hàm lượng phosphate dư có thể sử dụng ADJUNCT-BTM để xử lý. ADJUNCT-BTM là một dạng hợp chất phosphate ở dạng bột dùng để xử lý hàm lượng cứng trong nước, chống đóng cáu cặn. Hoá chất này sẽ tác dụng với các thành phần cứng (Ca2+, Mg2+) tạo thành cặn mềm không có khả năng bám vào các bề mặt trao nhiệt. Liều lượng ADJUNCT-BTM như sau: Hàm lượng phosphate dư (phần triệu-ppm) 0-10ppm 10-20ppm 20-40ppm trên 40ppm Liều lượng ADJUNCT-BTM 30 gam/tấn nước 15 gam/tấn nước thoả mãn, không cần xử lý tăng cường gạn xả, giảm liều lượng b) Xác định hàm lượng kiềm Phenolphthalein ("P" Alkalinity) Hàm lượng kiềm được tính là lượng axit cần thiết cấp vào để đạt độ pH nhất định nào đó. Hàm lượng kiềm được chia ra hàm lượng kiềm phenolphthalein (độ kiềm "P") và hàm lượng kiềm tổng (độ kiềm "M"). Độ kiềm "P" là lượng axit cần thiết để đạt tới trạng thái trung tính ở độ pH 8.3; còn độ kiềm "M" là lượng axit cần thiết để đạt tới trạng thái trung tính ở độ pH 4.8. Khi xác định hàm lượng kiềm, phenolphthalein được dùng làm chất chỉ thị đối với độ kiềm "P"; còn Methyl red được dùng cho độ kiềm tổng. 157 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Vì vậy có ký hiệu độ kiềm "P" và độ kiềm "M" (độ kiềm "M" đôi khi còn được gọi là độ kiềm "T" - Total Alkalinity). 1. Lấy 50ml mẫu nước đã được lọc, làm mát rồi đổ vào bát thử. 2. Nhỏ vào bát 4 giọt phenolphthalein. 3. Nếu nước chuyển sang màu hồng là có tính kiềm; nếu không thì không mang tính kiềm. 4. Nhỏ từ từ axít sulfuric N/10 vào hỗn hợp và liên tục khuấy đều cho đến khi màu hồng biến mất. Hỗn hợp trở về trạng thái trung tính. 5. Xác định lượng axit sulfuric đã sử dụng (xem trên ống buret) rồi suy ra hàm lượng kiềm theo bảng dưới. Giữ mẫu thử để xác định hàm lượng kiềm tổng. Sau khi có kết quả, sử dụng hoá chất xử lý hàm lượng kiềm GCTM theo liều lượng ghi trong bảng. GCTM là một hợp chất kiềm cô đặc ở dạng lỏng dùng để trung hoà axit, chống ăn mòn. GCTM tạo ra môi trường có độ pH hợp lý, tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng giữa các chất cứng với các hoá chất xử lý phosphate. Lượng sulfuric acid N/10 (ml) 0 - 0.3 0.4 - 0.7 0.8 - 0.9 1.0 - 1.5 trên 1.5 Hàm lượng kiềm phenolphthalein (ppm) 0 - 30 40 - 70 80 - 90 100 - 150 trên 150 158 Liều lượng hoá chất GCTM (lít/tấn nước) 0.15 0.10 0.05 thoả mãn tăng cường gạn xả NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng c) Xác định hàm lượng kiềm tổng ("M" Alkalinity) 1. Cho 3 giọt chất chỉ thị độ kiềm tổng vào mẫu thử thu được khi xác định độ kiềm "P". Mẫu thử sẽ chuyển sang màu xanh. 2. Cho tiếp axit sulfuric N/10 vào mẫu thử và khuấy đều cho đến khi chuyển sang màu hồng. 3. Xác định lượng axit sulfuric đã sử dụng (xem trên ống buret) rồi suy ra hàm lượng kiềm tổng. Hàm lượng kiềm tổng phải nhỏ hơn hai lần hàm lượng kiềm "P" và thường chỉ dùng để tham khảo. d) Xác định hàm lượng chloride 1. Lấy 2ml mẫu thử đã được lọc, làm mát vào ống thử chloride. 2. Nhỏ 3 giọt phenolphthalein vào mẫu thử, mẫu thử chuyển thành màu hồng nếu có tính kiềm. 3. Nhỏ từng giọt axit sulfuric cho đến khi màu hồng biến mất. Nhỏ thêm một giọt nữa. 4. Nhỏ 6 giọt potassium chromate, mẫu thử sẽ có màu vàng. 5. Nhỏ từng giọt Silver Nitrate (nitrat bạc) N/10 vào mẫu thử cho đến khi chuyển thành màu da cam. 6. Hàm lượng chloride được tính bằng số giọt Silver Nitrate x 50. Tham khảo bảng dưới để quyết định. Thoả mãn, không cần xử lý Tăng cường gạn xả Số giọt Silver Nitrate N/10 1 2 3 4 5 6 Trên 6 Hàm lượng Chloride (ppm) 50 100 150 200 250 300 Trên 300 159 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng e) Xác định hàm lượng hydrazine (N2H4) Hàm lượng hydrazine cần được xác định ngay sau khi lấy mẫu thử. 1. Rửa sạch dụng cụ hoá nghiệm bằng chính nước nồi hơi. Lấy 5ml mẫu thử vào ống thử (vạch dưới). 2. Cho 5ml Amerzine vào mầu thử (đến vạch 10ml). 3. Đậy lại rồi lắc đều. Đặt ống thử vào bộ so sánh. 4. Sau 2-3 phút so sánh màu mẫu thử với màu chuẩn ở bộ so sánh. 5. Tham khảo bảng dưới để quyết định liều lượng AMERZINE cho phù hợp. AMERZINE là một hoá chất khử ôxy ở dạng lỏng dùng để khử ôxy tráng ăn mòn nồi hơi và đường nước ngưng. AMERZINE giúp tránh ăn mòn sắt, đồng và giúp hình thành lớp oxit sắt, oxit đồng bảo vệ. Để đạt được tác dụng bảo vệ cần phải luôn duy trì một lượng dư hydrazine trong nước nồi hơi. Hàm lượng hydrazine Liều lượng AMERZINE Nhỏ hơn 0.10 ppm Tăng liều lượng 25% 0.10 - 0.20 ppm Thoả mãn, không cần xử lý Lớn hơn 0.20 ppm Giảm liều lượng 25% Liều lượng ban đầu 0.15 lít/tấn nước f) Xác định độ dẫn điện 1. Bật nguồn bộ thử để hâm nóng trong khoảng 1 phút. 2. Điền đầy xilanh thử bằng mẫu thử (100ml). 3. Nhỏ 2 giọt phenolphthalein vào mẫu thử và khuấy đều, mẫu chuyển sang màu hồng. 160 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 4. Đổ từng thìa axit gallic và khuấy đều cho đến khi màu hồng biến mất. 5. Đặt pin thử vào trong xilanh thử. 6. Đo nhiệt độ mẫu thử và chỉnh nút bù nhiệt độ theo cùng giá trị nhiệt độ. 7. Đo độ dẫn điện theo bằng cách xoay nút điều chỉnh độ dẫn điện tới vị trí cả đèn đỏ và đèn xanh cùng sáng. 8. Sau khi hoàn thành, tắt thiết bị thử và nhúng pin thử vào nước sạch để dùng cho các lần thử sau. Kết quả thử được so sánh với bảng sau: Độ dẫn điện () Tới 700 Trên 700 Biện pháp xử lý Thoả mãn Tăng cường gạn xả g) Xác định độ pH của nước ngưng Độ pH của nước ngưng cần được xác định ngay sau khi lấy mẫu thử. 1. Lấy 50ml mẫu thử đã được làm nguội rồi rót vào bát thử. 2. Cho 3 giọt phenolphthalein vào, mẫu thử sẽ chuyển thành màu hồng nếu có tính kiềm. 3. Nhỏ từng giọt axit sulfuric N/10 và khuấy đều đến khi màu hồng biến mất. 4. So sánh kết quả với bảng dưới để xác định liều lượng SLCCATM cho phù hợp. SLCC-ATM là một hợp chất amin hữu cơ dùng để giảm ăn mòn trên đường nước ngưng. Hợp chất này ngưng tụ cùng với hơi nước, tạo ra môi trường có độ pH phù hợp, trung hoà sự ăn mòn do oxit cacbon. 161 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Lượng axit sulfuric sử dụng Biện pháp xử lý Mẫu thử không chuyển màu Tăng liều lượng 25% 1-2 giọt Thỏa mãn, không cần xử lý Trên 3 giọt Giảm liều lượng 25% Liều lượng ban đầu 0.15 lít/tấn nước Một hãng cung cấp hoá chất xử lý nước nổi tiếng khác, UNITOR CHEMICALS, Na uy, cũng cung cấp một số bài hoá nghiệm cho các nồi hơi phụ nư sau. 6.5. Bài hoá nghiệm nưóc nồi hơi của hãng Unitor Chemicals 6.5.1. Kỹ thuật lấy mẫu thử và chuẩn bị dụng cụ Mẫu thử được lấy tại các van lấy mẫu trên nồi hơi cho hoá nghiệm nước nồi hơi hoặc trên đường nước ngưng khi hoá nghiệm nước ngưng. Việc lấy mẫu nên tuân thủ các hướng dẫn sau: 1. Mở van lấy mẫu xả nước ra từ 7 - 10 phút để rửa sạch đoạn van, ống lấy mẫu. 2. Nên mở van lấy mẫu trong suốt thời gian hoá nghiệm; các mẫu thử cho mỗi bài hoá nghiệm được lấy ngay từ van lấy mẫu. Các dụng cụ hoá nghiệm phải được rửa kỹ bằng chính nước đem hoá nghiệm. Nếu việc thử bị trì hoãn thì mẫu nước phải được đậy kín. 3. Mẫu thử phải được lọc qua phin lọc giấy (filter paper) để lọc sạch các tạp chất rắn. Tấm giấy lọc được gấp thành hình côn để đặt được vào phễu lọc. 4. Mẫu thử cần được làm nguội đến nhiệt độ khoảng 250C trước khi đem hoá nghiệm. 162 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 5. Để đảm bảo độ chính xác, các hoá chất dùng cho hoá nghiệm phải được bảo quản cẩn thận trọng các lọ kín, để nơi khô ráo, mát. 6. Trước khi điền kết quả hoá nghiệm vào mẫu có sẵn cần ghi đầy đủ các thông tin cần thiết như: tên tàu, chủ tàu; kiểu loại nồi hơi, áp suất công tác; loại nước sử dụng; hoá chất xử lý nước; tháng, năm vào các ô có sẵn. 7. Sử dụng bút bi mực đen hoặc bút chì để tô đen các ô chữ nhật nhỏ trên bảng kết quả hoá nghiệm có sẵn. Kết quả hoá nghiệm sẽ được in ra ba bản. Một bản lưu tại tàu, một bản gửi cho chủ tàu, bản màu xanh gửi cho hãng. 6.5.2. Xác định hàm lượng kiềm phenolthalein (P Alkalinity) 1. Lấy 200ml mẫu thử đã được lọc, làm nguội vào ống thử. 2. Cho 1 viên thuốc thử phenol vào ống thử, đậy lại và lắc đều cho tan hết. Nếu nước có tính kiềm sẽ xuất hiện màu xanh lá cây. 3. Tiếp tục cho thêm từng viên thuốc thử cho đến khi dung dịch có màu vàng bền. 4. Hàm lượng kiềm phenol (phần triệu CaCO3) được tính như sau: Hàm lượng kiềm P = Số viên thuốc thử x 20 - 10 Ví dụ: số viên thuốc thử là 8 thì hàm lượng kiềm P sẽ là: 8 x 20 - 10 = 150 ppm Hàm lượng kiềm P trong khoảng 100-300 ppm là thoả mãn. Nếu thấp thì xử lý bằng hoá chất COMBITREAT. Cứ mỗi 100g/tấn nước sẽ làm tăng nồng độ kiềm lên 50 ppm. Nếu cao phải tăng cường gạn xả nước nồi hơi để giảm mật độ. 163 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 6.5.3. Xác định độ pH 1. Lấy 50ml mẫu thử đã được lọc, làm nguội vào ống thử độ pH. 2. Cho một thìa thuốc thử độ pH (0.6 gam) vào mẫu thử rồi lắc đều cho tan. 3. Lấy một mẩu giấy thử độ pH phù hợp (giấy thử có độ pH từ 7.5 đến 14 dùng cho nước nồi hơi; từ 6.5 đến 10 dùng cho nước ngưng) nhúng vào ống thử khoảng 10 giây. 4. Lấy giấy thử ra và so sánh màu với bảng màu chuẩn in ở vỏ cuộn giấy thử để xác định độ pH của nước thử. 5. Điền kết quả vào mẫu theo dõi có sẵn. 6. Độ pH của nước nồi hơi nên trong khoảng 9.5 đến 11.0; còn nước ngưng trong khoảng 8.3 đến 9.0. 6.5.4. Xác định hàm lượng ion chloride (Cl-) 1. Lấy 50ml mẫu thử đã được lọc, làm nguội vào ống thử. 2. Cho 1 viên thuốc thử hàm lượng Cl vào ống, đậy lại và lắc đều cho tan. Nếu trong nước có Cl thì mẫu thử sẽ chuyển sang màu vàng. 3. Tiếp tục cho thêm từng viên thuốc thử cho đến khi màu vàng chuyển thành màu da can sậm. 4. Hàm lượng ion Cl theo phần triệu được tính toán như sau: Hàm lượng ion Cl = Số viên thuốc thử x 20 - 20 Ví dụ: số viên thuốc thử là 4, hàm lượng ion Cl là: 4 x 20 - 20 = 60 ppm 164 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 5. Điền kết quả vào mẫu theo dõi có sẵn. Hàm lượng ion Cl lớn nhất cho phép là 200 ppm. Nếu lớn hơn 200 ppm cần tăng cường gạn xả nước nồi hơi. 6. Nếu hàm lượng ion Cl quá lớn có thể giảm lượng mẫu thử xuống 25ml khi ấy kết quả thực tế sẽ tăng thêm 40 ppm cho mỗi viên thuốc thử sử dụng. Nếu hàm lượng quá nhỏ có thể tăng mẫu thử lên 100ml, và kết quả sẽ giảm xuống 10 ppm cho mỗi viên thuốc thử. 165 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Chương 7. 7.1. Khai thác và bảo dưỡng nồi hơi Vận hành nồi hơi 7.1.1. Chuẩn bị đốt nồi hơi Công việc chuẩn bị nồi hơi trước khi khởi động bao gồm việc kiểm tra khả năng sẵn sàng hoạt động của nồi hơi và chuẩn bị các điều kiện để đưa nồi hơi vào hoạt động. Tùy theo chủng loại nồi hơi mà công biệc chuẩn bị có thể khác nhau. Chuẩn bị nồi hơi sau khi sửa chữa, bảo dưỡng cũng khác so với chuẩn bị nồi hơi đang khai thác. Nhìn chung, công việc kiểm tra nồi hơi trước khi khởi động có thể bao gồm: Kiểm tra tổng thể bên ngoài nồi hơi để khẳng định các trang thiết bị đã ở trạng thái sẵn sàng hoạt động chưa. Công việc này cần thực hiện tỉ mỉ khi sau khi thực hiện các công việc sửa chữa, bảo dưỡng nồi hơi, hoặc các hệ thống liên quan. Kiểm tra và đưa hệ thống cấp nước vào hoạt động: kiểm tra mức nước trong két nước bổ xung (két vách), tình trạng các bơm cấp nước, các van trong hệ thống. Các van chặn và van một chiều cấp nước vào nồi hơi được giữ luôn mở. Kiểm tra mức nước để khẳng định sự chỉ báo chính xác của ống thủy. Van xả đáy ống thủy phải được đóng, trong khi các van nối với khoang hơi và khoang nước phải được đóng. Mức nước quan sát được trên ống thủy phải nằm trong vùng cho phép. Chú ý không cấp nước đến mức nước quá cao trước khi đốt nồi hơi. Kiểm tra hệ thống nhiên liệu và đưa hệ thống vào làm việc. Thông thường nồi hơi được thiết kế để có thể làm việc với nhiên liệu Diesel (DO) hoặc nhiên liệu nặng (HFO). Khi đốt 166 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng nồi hơi với nhiên liệu nặng cần phải đưa hệ thống hâm nhiên liệu vào hoạt động. Khi ấy nhiên liệu sẽ được tuần hoàn qua bầu hâm nhờ bơm tuần hoàn nhiên liệu. Nhiệt độ hâm nhiên liệu được điều khiển tự động nhờ rơle nhiệt. Hệ thống hâm nhiên liệu còn được trang bị chức năng bảo vệ nhiệt độ hâm nhiên liệu (không cho phép phun nhiên liệu ở nhiệt độ thấp vào trong buồng đốt nồi hơi và báo động khi nhiệt độ hâm nhiên liệu quá cao). Kiểm tra sự chỉ báo của áp kế áp suất hơi: van chặn tới áp kế phải được mở hoàn toàn, kim chỉ báo áp suất phải chỉ 0 hoặc lớn hơn không một chút trong trường hợp áp kế đặt thấp hơn mức nước trong nồi hơi. Kiểm tra các van nối với khoang nồi hơi như các van xả mặt, xả đáy, van lấy mẫu. Các van này phải ở trạng thái đóng. Kiểm tra van hơi chính bằng cách mở van sau đó đóng lại. Kiểm tra cơ cấu mở van an toàn sự cố. Mở van xả khí để xả khí đọng trong nồi hơi ra ngoài khi đốt nồi hơi. Kiểm tra sự hoạt động của các thiết bị chỉ báo, cảm ứng, bảo vệ khác theo hướng dẫn của nhà chế tạo. Các công việc chuẩn bị trên cần được thực hiện đầy đủ khi mới đốt nồi hơi lần đầu, hoặc sau khi sửa chữa, sau khi dừng lâu ngày. Khi nồi hơi đang trong tình trạng khai thác bình thường, tuỳ theo điều kiện cụ thể mà các công việc trên có thể không cần thực hiện đầy đủ. 7.1.2. Đốt nồi hơi Nồi hơi thường được trang bị để có thể đốt tự động hoặc đốt bằng tay. Ở chế độ khai thác bình thường, nồi hơi cần phải hoạt động tin cậy ở 167 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng chế độ tự động. Chế độ đốt nồi hơi bằng tay chỉ sử dụng để đốt thử sau khi thực hiện các công việc sửa chữa, bảo dưỡng hoặc trong các trường hợp đặc biệt. Sau khi thực hiện các công việc chuẩn bị, việc đưa nồi nơi về chế độ tự động hoạt động được thực hiện bằng cách cấp nguồn điều khiển và chọn vị trí tự động cho thiết bị tự động điều khiển nồi hơi. Khi ấy bộ tự động điều khiển nồi hơi sẽ được đưa vào hoạt động và tự động đưa các thiết bị vào làm việc như: quạt gió, bướm gió, bơm nhiên liệu tuần hoàn, hệ thống hâm nhiên liệu, thiết bị đánh lửa, van điện từ cấp nhiên liệu theo chương trình đã được định trước. Trong trường hợp đốt nồi hơi bằng tay, cần thực hiện điều khiển các thiết bị theo theo các bước sau: Bật công tắc lựa chọn về vị trí điều khiển bằng tay (MANUAL). Khởi động quạt gió và bơm nhiên liệu. Sau khoảng 30 giây (giai đoạn thông gió trước), bật thiết bị đánh lửa. Sau 1-2 giây bật công tắc điều khiển van cấp nhiên liệu. Nhiên liệu phun vào buồng đốt và cháy khi gặp tia lửa điện. Trong suốt quá trình khởi động cần quan sát để khẳng định các thiết bị được đưa vào hoạt động đúng thời điểm và hoạt động tốt; nhiên liệu cháy ngay khi được phun vào buồng đốt. Nếu việc đốt không thành công, hệ thống tự động bảo vệ nồi hơi sẽ tự động dừng việc cấp nhiên liệu và thực hiện thông gió sau trước khi dừng. Thông thường các nồi hơi phụ tàu thủy được thiết kế để bảo vệ một số thông số sau: nhiệt độ nhiên liệu thấp (khi dùng dầu FO); áp suất nhiên liệu thấp; mức nước nồi hơi thấp; nồi hơi không cháy. Các thông số trên được tự động giám sát và bảo vệ trong suốt thời kỳ đốt nồi hơi cũng như khi hệ thống đang làm việc. Nếu một trong các thông số bảo vệ bị vi phạm, hệ thống 168 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng sẽ tự động dừng, đồng thời kích hoạt tín hiệu báo động dừng nồi hơi (đèn, còi). Khi ấy cần xác định nguyên nhân bằng cách quan sát các đèn tín hiệu bảo vệ, khắc phục nguyên nhân và ấn nút hoàn nguyên (RESET) để xoá tín hiệu bảo vệ trước khi khởi động lại nồi hơi. 7.1.3. Tăng áp suất hơi Sau khi đưa nồi hơi vào hoạt động, nhiệt độ và áp suất trong nồi hơi sẽ tăng dần. Đây là giai đoạn làm việc không ổn định, vì vậy cần chú ý theo dõi, thực hiện các công việc điều chỉnh cần thiết để đảm bảo sự hoạt động tốt cho hệ thống. Để tránh ứng suất nhiệt quá lớn, cần tăng áp suất nồi hơi lên từ từ. Ví dụ các nồi hơi hình trụ cần ít nhất 4 giờ, còn nồi hơi thẳng đứng cần khoảng 2 giờ để đạt đến giá trị áp suất hơi định mức. Tuy nhiên, việc điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp chỉ có thể thực hiện được với các loại nồi hơi có trang bị hệ thống cung cấp nhiên liệu có nhiều chế độ cháy. Với các nồi hơi sau sửa chữa lớn, đặc biệt khi thay các cụm ống, xây lại gạch cách nhiệt, có thể cần thực hiện việc đốt nồi hơi lần đầu theo một chương trình đặc biệt. Khi đó cần điều khiển nồi hơi theo chế độ đốt bằng tay. Trong quá trình nồi hơi tăng áp suất cần theo dõi các dấu hiệu sau: Thỉnh thoảng sờ vào vỏ nồi hơi để khẳng định nhiệt độ tăng lên đều. Duy trì chế độ cháy càng thấp càng tốt để tránh ứng suất nhiệt có thể gây ra nứt các trống nước, ống nước, ống lửa. Khi áp suất hơi bắt đầu tăng, mở van xả khí trên đỉnh nồi hơi để xả hết lượng khí trong không gian hơi của nồi hơi. Việc xả khí khi đốt nồi hơi từ trạng thái nguội nhằm loại bỏ không khí khỏi hệ thống, tránh ăn mòn kim loại do sự xuất hiện của ôxy và các khí hòa tan khác. Kiểm tra toàn bộ nồi hơi để phát hiện rò rỉ ở các mặt bích lắp ráp, các van, và khắc phục nếu cần thiết. Nếu không thể khắc 169 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng phục rò rỉ bằng cách xiết lại các mặt bích, cần phải dừng nồi hơi để xử lý. Thường xuyên theo dõi mức nước nồi hơi. Khi đốt nồi hơi từ trạng thái nguội, mức nước nồi sẽ tăng dần lên khi nhiệt độ nước tăng. Nếu mức nước quá cao, cần xả bớt qua các van xả mặt, xả đáy. Nếu không xả kịp thời, hệ thống có thể sẽ báo động mức nước nồi hơi cao. Theo dõi sự tăng áp suất hơi. Khi áp suất hơi tăng tới khoảng ¼ áp suất định mức, thực hiện gạn mặt, xả đáy nồi hơi để xả váng tạp chất và cặn lắng ra khỏi nồi hơi (xem quy trình xả ở chương trước). Thực hiện sấy đường ống hơi. Khi áp suất hơi tăng tới khoảng ½ áp suất định mức, có thể thực hiện việc sấy đường ống dẫn hơi bằng cách hé mở van hơi chính để cấp hơi sấy. Trong quá trình sấy phải mở các van xả nước đọng trong hệ thống đường ống cho đến khi thấy hơi thoát ra. Việc cấp hơi đến hệ thống mà không tiến hành sấy đường ống sẽ có thể gây ra hiện tượng búa chất lỏng (water hammer). Hiện tượng này xảy ra khi hơi có áp suất cao được cấp tới hệ thống đường ống còn nguội. Khi đó sẽ xảy ra chuyển động va đập của dòng hơi với lượng nước ngưng tụ trong đường ống. Điều này gây ra các xung thủy lực có thể làm vỡ ống hơi hoặc xé rách các gioăng đệm và cản trở chuyển động của dòng hơi trong ống. Mở hoàn toàn van hơi chính để cấp hơi đi tiêu dùng khi áp suất hơi đạt tới giá trị định mức. Việc mở van hơi chính để cấp hơi đi công tác phải được thực hiện từ từ để tránh giảm áp suất đột ngột bên trong nồi hơi. Điều này có thể gây ra hiện tượng sôi trào, gây hư hỏng cho hệ thống (xem chương trước). 170 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 7.1.4. Khai thác nồi hơi đang hoạt động Sau khi thực hiện tuần tự các công việc kể trên, nồi hơi đã trở về trạng thái hoạt động bình thường. Khi này cần thực hiện các công việc sau cần để đảm bảo nồi hơi hoạt động an toàn và kinh tế: Điều chỉnh quá trình cháy. Sau khi nồi hơi đã đạt chế độ làm việc ổn định có thể thực hiện hiệu chỉnh quá trình cháy bằng cách thay đổi tỷ lệ lượng nhiên liệu và không khí cấp cho phù hợp. Các nồi hơi phụ tàu thủy thường được thiết kế để hoạt động chỉ với một chế độ cháy (điều khiển ON/OFF). Trong trường hợp này lượng cung cấp nhiên liệu không thay đổi, vì vậy cần điều chỉnh bướm gió phù hợp để cung cấp đủ không khí cho quá trình cháy. Thường xuyên theo dõi mức nước nồi hơi trong ống thủy, nếu cần thiết, điều chỉnh các mức tự động khởi động và dừng bơm cấp nước nồi hơi cho phù hợp. Hàng ngày phải xả nước để kiểm tra sự hoạt động và khẳng định sự chỉ báo chính xác của ống thủy. Hàng ngày tiến hành xả mặt và xả đáy, hoặc tuỳ thuộc vào chất lượng nước nồi hơi. Tiến hành hoá nghiệm nước nồi hơi theo hướng dẫn của nhà chế tạo và xử lý nước nồi hơi nếu cần thiết. Việc hóa nghiệm nước nồi hơi được thực hiện hàng tuần. Nếu cần thiết có thể cần phải tăng cường chu kỳ hóa nghiệm, đặc biệt khi thay đổi nguồn nước cấp cho nồi hơi. Định kỳ tháo, kiểm tra, vệ sinh, căn chỉnh súng phun, thiết bị đánh lửa theo quy định của nhà chế tạo. Định kỳ kiểm tra sự hoạt động của các thiết bị báo động, bảo vệ nồi hơi theo hướng dẫn và ghi vào nhật ký nồi hơi. Thông 171 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng thường cứ mỗi ba tháng cần kiểm tra các thiết bị an toàn và lập báo cáo. Trong báo cáo cần có các thông tin sau: kết quả kiểm tra các chức năng bảo vệ (mức nước, quá trình cháy, nhiệt độ nhiên liệu, áp suất nhiên liệu), kết quả hóa nghiệm nước nồi hơi và phương án xử lý nước. Định kỳ thổi muội các bề mặt trao đổi nhiệt phía khí lò. Thông thường, hơi bão hòa lấy từ trống hơi được sử dụng để thổi muội. Các hệ thống nồi hơi phụ tàu thủy thường được trang bị cơ cấu thổi muội bằng tay. Việc thổi muội được thực hiện bằng cách cấp hơi đến cơ cấu thổi muội và xoay đều đầu phun hơi để thổi sạch muội trên các bề mặt trao nhiệt. 7.1.5. Dừng nồi hơi Việc dừng nồi hơi được thực hiện bằng cách bật công tắc điều khiển về vị trí dừng nồi hơi. Khi đó các thiết bị sẽ được điều khiển dừng lại theo chương trình. Nếu mục đích của việc dừng nồi hơi là để thực hiện các công việc sửa chữa, bảo dưỡng, có thể cần thiết phải thực hiện các công việc khác như: chuyển sang sử dụng nhiên liệu nhẹ, dừng các hệ thống phục vụ. Nếu thời gian dừng nồi hơi ngắn có thể ủ nồi hơi bằng cách đóng van hơi và giảm lượng cấp nhiên liệu. Tuỳ theo thời gian dừng nồi hơi có thể phải xả đáy nồi hơi. Nếu dừng quá 6 tháng phải xả hết nước nồi hơi và sấy khô bên trong nồi hơi. 7.2. Một số hư hỏng thường gặp khi khai thác nồi hơi Khi khai thác nồi hơi có thể gặp một số sự cố. Dưới đây trình bày một số sự cố tiêu biểu khi khai thác nồi hơi. 7.2.1. Cạn nước nồi chưa nghiêm trọng Sự cố cạn nước nồi chưa nghiêm trọng được biểu hiện bằng mức nước nồi hơi thấp trong ống thủy và thường kèm theo báo động mức nước 172 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng nồi hơi thấp. Cạn nước nồi chưa nghiêm trọng xảy ra khi hệ thống cấp nước nồi hơi không đảm bảo cấp đủ nước cho nồi hơi. Ví dụ khi bơm cấp nước nồi hơi hỏng, hết nước trong két nước cấp, thiết bị cảm ứng mức nước nồi hơi và điều khiển bơm cấp nước hoạt động không chính xác. Khi gặp hiện tượng này cần kiểm tra lại chính xác mức nước trong các ống thủy bằng cách xả nước thông các ống thủy. Nếu mức nước cạn cần kiểm tra hệ thống cấp nước để xác định chính xác nguyên nhân và tìm cách khắc phục. Nếu cạn nước nồi mà hệ thống không báo động mức nước nồi hơi thấp, cần kiểm tra và khôi phục sự hoạt động của thiết bị báo động mức nước nồi hơi thấp. 7.2.2. Cạn nước nồi nghiêm trọng Cạn nước nồi nghiêm trọng biểu hiện bằng việc không nhìn thấy mức nước trong các ống thủy sáng và hơi phụt ra khi mở van xả đáy ống thủy. Nguyên nhân gây ra cạn nước nồi nghiêm trọng có thể là thủng các bề mặt trao đổi nhiệt, dẫn đến dò lọt nước sang không gian khí lò, hoặc do hư hỏng hệ thống tự động cấp nước nồi hơi. Khi gặp hiện tượng này cần dừng ngay nồi hơi, dùng tay giật mở van an toàn để xả hết hơi trong nồi hơi rồi để nồi hơi nguội tự nhiên. Tuyệt đối không được cấp nước vào nồi hơi. Khi cạn nước nồi nghiêm trọng một số bề mặt trao đổi nhiệt phía trên cùng có thể nhô lên khỏi mặt nước và bị quá nhiệt. Nếu cấp nước lạnh vào nồi hơi các bề mặt này sẽ bị rạn nứt hoặc nổ vỡ do ứng suất nhiệt quá lớn. Sau khi nồi hơi nguội, tháo kiểm tra các bề mặt trao đổi nhiệt để xác định hư hỏng. Nếu cần thiết có thể yêu cầu giám định của cơ quan đăng kiểm trước khi quyết định cho nồi hơi hoạt động trở lại. Sự cố cạn nước nồi nghiêm trọng chỉ xảy ra khi hệ thống tự động cấp nước nồi hơi và thiết bị bảo vệ mức nước nồi hơi không họat động. Vì vậy, sự cố cạn nước nồi có thể tránh được nếu trong quá trình khai thác 173 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng thường xuyên kiểm tra sự hoạt động của thiết bị tự động bảo vệ khi mức nước nồi hơi thấp và sửa chữa ngay nếu chúng hoạt động không tin cậy. 7.2.3. Hư hỏng các bề mặt trao đổi nhiệt Hư hỏng các bề mặt trao đổi nhiệt có thể do quá nhiệt. Các bề mặt trao nhiệt bên trong nồi hơi cần luôn được tiếp xúc và làm mát bằng nước. Nếu bị mất nước do lý do nào đó, các bề mặt này sẽ bị quá nhiệt. Quá nhiệt có thể gây biến dạng các bề mặt trao nhiệt, hoặc trường hợp nặng hơn, gây cháy hỏng. Cháy hỏng các bề mặt trao đổi nhiệt thường là hậu quả của sự cố cạn nước nồi. Tình trạng cáu cặn bám dày trên các bề mặt cũng làm giảm khả năng trao đổi nhiệt, tăng nhiệt độ các bề mặt trao đổi nhiệt, gây quá nhiệt. Cháy hỏng các bề mặt trao đổi nhiệt dẫn tới nước tràn vào không gian khí lò, giảm áp suất hơi. Trường hợp nặng nề có thể gây tắt nồi hơi, nồi hơi mất khả năng làm việc. Cháy thủng các bề mặt trao nhiệt có thể phát hiện bằng tiếng nổ bên trong nồi hơi và khói trắng. Khi phát hiện cháy hỏng các bề mặt trao nhiệt cần dừng nồi hơi, kiểm tra tình trạng các bề mặt trao nhiệt và sửa chữa. Có thể khắc phục tạm thời bằng cách nút bớt một số ống bị thủng. Trường hợp số lượng ống bị nút quá lớn, dẫn đến giảm diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, giảm sản lượng hơi, cần phải dừng nồi hơi để thay ống. Một số kết cấu hàn của nồi hơi có thể bị nứt do khiếm khuyết khi chế tạo hoặc do ứng xuất nhiệt trong quá trình khai thác. Các vết nứt nhỏ chịu tác động của nhiệt độ cao sẽ lớn dần và có thể gây hư hỏng các bề mặt trao đổi nhiệt. Việc khai thác hợp lý nồi hơi, đặc biệt trong giai đoạn khởi động và dừng nồi hơi, sẽ giúp tránh ứng suất nhiệt quá lớn. Tuân thủ chế độ xử lý nước cũng cho phép hạn chế cáu cặn, ăn mòn trên các bề mặt trao đổi nhiệt, giúp tăng tuổi thọ khai thác nồi hơi. 174 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 7.2.4. Mức nước nồi hơi quá cao Hiện tượng mức nước nồi hơi quá cao thường kèm theo báo động mức nước nồi hơi cao và có thể do những nguyên nhân sau: do hệ thống tự động điều khiển cấp nước nồi hơi hoạt động không chính xác; do hiện tượng sôi trào khi tăng đột ngột tải tiêu dùng hơi hoặc có quá nhiều tạp chất lơ lửng trên bề mặt bay hơi. Khi mức nước nồi hơi quá cao cần xả bớt nước để tránh nước cuốn theo hơi tới các thiết bị tiêu dùng hơi. Nếu hệ thống tự động cấp nước nồi hơi hoạt động sai thì cần điều chỉnh lại cho phù hợp. Nếu mức nước nồi hơi tăng do sôi trào thì cần đóng van hơi chính, để mức nước nồi hơi ổn định trở lại, sau đó mở từ từ van hơi chính để cấp hơi trở lại. Để tránh hiện tượng sôi trào, cần chú ý không thay đổi tải nồi hơi đột ngột và thực hiện việc xử lý nước nồi hơi triệt để kết hợp gạn mặt, xả đáy để loại trừ các tạp chất lẫn trong nước nồi. Mức nước nồi hơi cao cũng thường xảy ra khi mới đốt nồi hơi từ trạng thái nguội. Khi đó mức nước trong nồi hơi tăng dần khi nhiệt độ tăng, trong trường hợp này cần xả bớt nước bằng cách mở các van gạn xả. 7.2.5. Nồi hơi bị tắt Nồi hơi không cháy thường kèm theo báo động và bảo vệ dừng nồi hơi. Khi khởi động nồi hơi không cháy có thể do các nguyên nhân như: thiết bị đánh lửa hoạt động không tốt; nhiệt độ nhiên liệu quá thấp (khi đốt bằng dầu FO); áp suất nhiên liệu quá thấp do bơm cấp nhiên liệu kém, hệ thống lẫn không khí, hết nhiên liệu trong két, van điện từ cấp nhiên liệu bị rò; do súng phun kém dẫn đến chất lượng phun sương kém; do bướm gió điều chỉnh quá to gây luồng gió quá mạnh. Nồi hơi khi đang hoạt động bị tắt có thể do hệ thống nhiên liệu cung cấp nhiên liệu với chất lượng kém; áp suất nhiên liệu thấp; nhiệt độ nhiên liệu thấp do các phần tử tự động điều chỉnh nhiệt độ hâm nhiên liệu hỏng; do mức nước nồi hơi quá thấp. 175 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Các hệ thống nồi hơi hiện nay đều được thiết kế để tự động điều khiển, bảo vệ các thông số làm việc. Khi các thông số không đảm bảo, hệ thống sẽ tự động dừng nồi hơi (dừng phun nhiên liệu) và phát tín hiệu báo động. Khi đó cần xác định thông số được bảo vệ bằng cách quan sát bảng đèn báo động bảo vệ nồi hơi kết hợp xem xét các hệ thống để tìm ra nguyên nhân. Sau khi khắc phục cần nhấn nút hoàn nguyên để xoá tín hiệu bảo vệ, đưa hệ thống trở lại trạng thái tự động làm việc. Khi cần thiết có thể đốt lại nồi hơi bằng tay để phát hiện chính xác nguyên nhân và sửa chữa nếu cần thiết. 7.3. Bảo dưỡng nồi hơi tàu thủy 7.3.1. Vệ sinh nồi hơi Trong quá trình khai thác, định kỳ cần phải vệ sinh nồi hơi, cả phía không gian nước và không gian khí lò. Tần suất vệ sinh phụ thuộc váo nhiều yếu tố khác nhau như: cường độ hoạt động của nồi hơi, chất lượng nước nồi hơi, chất lượng quá trình cháy, … Tuy nhiên, khi điều kiện cho phép, cần dừng nồi hơi, kiểm tra các bề mặt trao đổi nhiệt ở cả hai phía để xác định mức độ nhiễm bẩn. Việc theo dõi thường xuyên nhiệt độ khí xả và nhiệt độ hơi sấy ra khỏi nồi hơi cũng cho phép đánh giá chất lượng các bề mặt trao đổi nhiệt, vì muội, cáu cặn bàm nhiều sẽ làm giảm cường độ trao đổi nhiệt, dẫn đến tăng nhiệt độ khí lò ra khỏi nồi hơi, giảm nhiệt độ hơi sấy. Các nồi hơi phụ tàu thủy thường không được trang bị các thiết bị đo trên, nên cần định kỳ dừng nồi hơi và kiểm tra các bề mặt trao đổi nhiệt. Khi cần thiết dừng nồi hơi để vệ sinh bên trong, cần thực hiện theo các bước sau: 1. Cần dừng nồi hơi ít nhất 24 tiếng trước khi tiến hành tháo, kiểm tra bên trong. 176 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 2. Trước khi dừng, cần tiến hành thổi muội các bề mặt trao đổi nhiệt. 3. Khi áp suất nồi hơi giảm xuống khoảng 0.4 MPa, cần mở các van xả để xả hết cáu cặn trong nồi hơi. 4. Để nồi hơi nguội tự nhiên cho đến khi có thể tiến hành các công việc tháo, vệ sinh. 5. Cần cách ly hoàn toàn nồi hơi khỏi các hê thống phục vụ trước khi thực hiện các công việc tháo lắp. Sau khi nồi hơi đã nguội, nước đã xả hết, công việc vệ sinh phía không gian nước có thể thực hiện như sau: 1. Tháo các cửa kiểm tra ở khu vực không gian hơi, không gian nước, cửa xả bùn để quan sát tình trạng các bề mặt trao đổi nhiệt. 2. Nếu cần thiết vệ sinh, có thể cạo cáu cặn bằng phương pháp cơ khí. Khi cần thiết có thể tẩy rửa cáu cặn bằng hóa chất. 3. Sau khi cạo rửa cáu cặn, cần rửa sạch các bề mặt trao đổi nhiệt bằng nước sạch, kiểm tra các ống nước bằng bi thông ống hoặc que thông. Trường hợp không thể dùng que thông thì sử dụng vòi nước hoặc khí nén để kiểm tra. 4. Kiểm tra kỹ bên trong trước khi lắp ráp. 5. Thay thế các giăng làm kín, lắp lại các cửa kiểm tra Công việc vệ sinh phía không gian khí lò có thể tiến hành như sau: 1. Tháo các cửa thăm phía khí lò để chuẩn bị cho việc vệ sinh. 2. Có thể sử dụng các que thông để vệ sinh các ống lửa, hoặc kết hợp sử dụng vòi nước. Để hòa tan muội và thổi sạch cáu cặn, nên sử dụng nước nóng với áp suất cao. Việc rửa bằng nước 177 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng nóng phải được thực hiện liên tục cho đến khi kết thúc, vì nếu dừng lại nửa chừng, phần cáu cặn chưa được thổi sạch có xu hướng biến cứng. Điều này gây khó khăn cho việc vệ sinh sau này. 3. Sau khi vệ sinh sạch cáu muội, cần tiến hành thông gió để sấy khô không gian khí lò. Nếu có thể, sử dụng không khí được sưởi nóng để sấy. 4. Lắp lại các cửa thăm. 7.3.2. Tẩy rửa cáu cặn nồi hơi Việc tẩy rửa cáu cặn nồi hơi thường được tiến hành định kỳ vào các kỳ sửa chữa lớn. Chu kỳ tẩy rửa cáu cặn còn phụ thuộc vào kiểu loại nồi hơi, chất lượng nước sử dụng và chất lượng khai thác nồi hơi. Việc tẩy rửa cáu cặn nồi hơi có thể sử dụng axit, kiềm hoặc tẩy rửa bằng tay. a) Tẩy rửa bằng axit Trước khi ngâm axit phải bịt tất cả các van trừ van xả đáy. Hoá chất thường sử dụng là axit HCl và một số chất chống ăn mòn khác. Nồng độ axit không dưới 2% và không quá 10%, thường dùng là 5%. Để tăng hiệu quả tẩy rửa có thể đun nhẹ nồi hơi tới nhiệt độ 50-700C và dùng bơm tuần hoàn nước trong nồi hơi để làm đồng đều nồng độ dung dịch. Thời gian ngâm axit thường khoảng 6-10 giờ tuỳ thuộc vào độ dày lớp cáu. Trong suốt thời gian ngâm cần thường xuyên kiểm tra nồng độ axit và bổ xung nếu nồng độ giảm. Việc ngâm axit kết thúc khi nồng độ axit không giảm nữa. Sau khi tẩy rửa bằng axit cần nấu kiềm với nồng độ 2-3% trong vài giờ để trung hoà axit rồi rửa lại bằng nước sạch. 178 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng b) Tẩy rửa bằng kiềm Trường hợp cáu quá dày hoặc không cho phép tẩy rửa bằng axit ví dụ trường hợp có nguy cơ ăn mòn kim loại do axit thì có thể tẩy rửa cáu cặn bằng kiềm. Trước khi tẩy rửa cáu cặn cần tháo tất cả các van bằng đồng rồi bịt lại để tránh ăn mòn các van. Trước khi nấu kiềm cần khống chế quá trình cháy của nồi hơi để giảm áp suất nồi hơi xuống 1/4 áp suất định mức. Việc đưa dung dịch kiềm vào nồi hơi được thực hiện qua hệ thống cấp nước nồi. Sau 2 giờ giảm áp suất nồi hơi tới không sau đó lại tăng lên 1/4 áp suất định mức và xả đáy, bổ xung thêm nước. Cứ lặp đi lặp lại như vậy để làm bong lớp cáu cặn. Cứ 1/2 giờ kiểm tra lại nồng độ kiềm và bổ xung nếu nồng độ giảm. Công việc tẩy rửa tiếp tục cho tới khi nồng độ kiềm không giảm nữa. Sau đó để nồi hơi nguội rồi xả đáy, mở các nắp cửa thăm và tiến hành cạo cáu khi chưa kịp hoá cứng. Nồng độ kiềm có thể áp dụng như sau: pha 1.5-2.0 kg Na3PO4 cho 1m3 nước nếu là cáu sulphate. Nếu cáu cứng dày cần pha 8-12 kg Na2CO3 và 0.4-0.6 kg NaOH cho 1m3 nước. Phương pháp tẩy rửa cáu cặn bằng tay có thể áp dụng trong trường hợp cáu mỏng hoặc sau khi nấu kiềm. 7.3.3. Thử thủy lực nồi hơi Nồi hơi, cũng như các thiết bị áp lực khác, cần được thử thủy lực để khẳng định mức độ an toàn về kết cấu. Theo quy định, các nồi hơi làm việc với áp suất trên 6.9 MPa, khi lắp đặt mới, cần phải được thử thủy lực ở áp suất thử p = (1.5 × pđm + 3.5) MPa. Những nồi hơi có áp suất công tác thấp hơn thì được thử thủy lực ở áp suất gấp hai lần áp suất công tác. Việc thử thủy lực được thực hiện dưới sự giám sát của cơ quan đăng kiểm. Giá trị áp suất thử được ghi vào biên bản và in ở bảng thông số gắn trên nồi hơi. Trong quá trình khai thác, định kỳ hoặc sau mỗi lần sửa chữa lớn, nồi hơi cũng cần được thử thủy lực. Áp suất thử thủy lực đối với các nồi 179 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng hơi cũ do cơ quan Đăng kiểm quy định tùy theo tình trạng kỹ thuật hiện tại, nhưng ít nhất cũng phải bằng giá trị áp suất công tác thiết kế. Thông thường sau khi tiến hành các công việc sửa chữa như thay ống, việc thử thủy lực có thể thực hiện ở áp suất bằng 1.25 lần giá trị áp suất công tác. Việc thử thủy lực được thực hiện như sau: 1. Tháo, bịt tất cả các đường nối với khoang nồi hơi để cô lập nồi hơi. 2. Tháo tất cả các cơ cấu chằng giữ nồi hơi, lắp các cơ cấu để đo giãn nở, chuyển vị tại một số nơi xung quanh nồi hơi như buồng đốt, các phía của nồi hơi. 3. Cấp nước vào đầy nồi hơi, sử dụng nước nóng nếu có thể. 4. Nối bơm tạo áp suất, áp kế (thường sử dụng bơm tay kiểu piston). 5. Ghi lại giá trị của các đồng hồ chỉ báo chuyển vị. 6. Nâng dần áp suất thử lên giá trị quy định. Cần chắc chắn rằng áp suất thử sẽ tăng đều và nhanh. Nếu áp suất thay đổi theo động tác bơm có nghĩa là trong hệ thống còn không khí, cần phải xả hết không khí. 7. Trong thời gian tăng áp suất, cần chú ý theo dõi toàn bộ nồi hơi để kịp thời phát hiện dò lọt hoặc biến dạng các thành phần kết cấu nồi hơi. Nếu phát hiện rò lọt, cần khắc phục trước khi thử lại. 8. Khi đã đạt giá trị áp suất thử cần đọc và ghi lại giá trị tại các đồng hồ đo chuyển vị. 9. Duy trì giá trị áp suất thử liên tục theo yêu cầu của đăng kiểm viên, hoặc trong mọi trường hợp không ít hơn 10 phút. 180 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 10. Khi đã thỏa mãn, xả nước khỏi nồi hơi và ghi lại giá trị chuyển vị. Cần chắc chắn rằng các giá trị chuyển vị này trở về đúng trạng thái trước khi thử. 11. Sau khi kết thúc thử thủy lực, có thể xả hết nước khỏi nồi hơi để tiến hành các kiểm tra cần thiết. 181 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hồng Phúc, Nguyễn Đại An. Hệ động lực hơi nước. NXB Trường Đại học Hàng hải. 2000 [2] Đỗ Văn Thắng. Hỏi đáp về vận hành thiết bị lò hơi. NXB Giáo dục. 2008 [3] Phạm Lê Dần. Nguyễn Công Hân. Công nghệ lò hơi và mạng nhiệt. NXB Khoa học và Kỹ thuật. 2007 [4] G. T. H. Flanagan. Marine Boilers 3rd Edition. ButterworthHeinemann. 1990 [5] Everett B. Woodruff, Herbert B. Lammers, Thomas F. Lammers. Steam Plant Operation 7th Edition. McGraw-Hill. 1998 [6] Anthony Lawrence Kohan. Boiler Operator’s Guide 4th Edition. McGraw-Hill. 1998 [7] Kenneth E. Heselton. Boiler Operators Handbook. The Fairmont Press, Inc. 2005 [8] V. Ganapathy. Industrial Boilers & Heat Recovery Steam Generators. Marcel Dekker, Inc. 2003 182 [...]... cao Nồi hơi không tuần hoàn (non-circulating boiler): loại nồi hơi này không có vòng tuần hoàn của nước, có kết cấu đơn giản 30 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng nhất Nồi hơi ống lửa cũng là nồi hơi không tuần hoàn do nước được chứa toàn bộ trong bầu nồi Hình 2.3 Nồi hơi tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn cưỡng bức và nồi hơi không tuần hoàn 2.4 Các thông số chính của nồi hơi tàu thủy. .. nồi hơi sử dụng đồng thời hai loại nhiên liệu để đốt, ví dụ như nồi hơi đốt dầu - khí Dưới tàu thủy, chỉ có nồi hơi đốt dầu (oilfired boiler) được sử dụng 28 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng Nồi hơi sử dụng năng lượng điện (electric boiler): nhiệt cấp cho nồi hơi được biến đổi từ điện năng Loại nồi hơi này có công suất nhỏ, chủ yếu phục vụ sinh hoạt của thuyền viên trên tàu Nồi. .. bin khí để sinh hơi Hơi sinh ra từ nồi hơi khí xả (hay còn gọi là nồi hơi kinh tế) chủ yếu dùng để phục vụ nhu cầu hâm sấy nhiên liệu và các nhu cầu sinh hoạt khác trên tàu Tàu thủy cũng có thể được trang bị các tua bin phụ, được cung cấp hơi bởi nồi hơi khí xả, nồi hơi liên hợp, đặc biệt là đối với các tàu hàng rời, tàu dầu cỡ lớn (có trọng tải từ vài vạn đến vài chục vạn tấn) Nồi hơi loại này có... là than, dầu hoặc khí đốt Tất cả nồi hơi sử dụng dưới tàu thủy đều là nồi hơi đốt dầu Do đó, trong khuôn khổ cuốn sách, chúng ta chỉ nghiên cứu về nồi hơi đốt dầu, kết cấu, nguyên lý hoạt động cũng như cách thức khai thác vận hành loại nồi hơi này 2.2 Chức năng, nhiệm vụ của nồi hơi dưới tàu thủy Nồi hơi tàu thủy nói chung có thể được dùng để sinh hơi phục vụ các mục đích như lai máy phát điện, lai các... 2÷4,5MPa Nồi hơi cao áp (power boiler): có áp suất làm việc trên 4,5MPa 27 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng Nồi hơi trung và cao áp thường là các nồi hơi chính, sản suất hơi quá nhiệt có thông số cao, cung cấp cho tua bin hơi lai chân vịt 2.3.2 Phân theo sự chuyển động của khí cháy và nước Nồi hơi ống nước (water tube boiler): nước đi trong ống, khí lò quét ngoài ống Nồi hơi ống... dưới tàu thủy, nơi có không gian chật hẹp, đặc biệt các nồi hơi liên hợp 29 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng phụ - khí xả thường là loại thẳng đứng, rất thuận tiện cho việc lắp đặt trên phần ống khói (funnel) của thượng tầng tàu Hình 2.2 Nồi hơi đặt nằm và nồi hơi đặt đứng 2.3.5 Phân theo nguyên lý tuần hoàn Nồi hơi tuần hoàn tự nhiên (natural circulating boiler): nước và hơi nước... trình Carnot Chu trình Carnot của thiết bị động lực hơi nước là chu trình lý tưởng gồm có hai quá trình đẳng nhiệt và hai quá trình đoạn nhiệt xen kẽ nhau Đồ thị nhiệt động của chu trình được thể hiện như Hình 1.2 Các quá trình nhiệt động trong chu trình gồm có: 1 Quá trình 1-2: Dãn nở đoạn nhiệt, hơi từ nồi hơi sinh ra được cấp vào tua bin và giãn nở sinh công trong tua bin 12 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn... của hơi ra khỏi bộ sấy hơi (bộ quá nhiệt) Áp suất hơi sấy thấp hơn áp suất pN trong nồi hơi khoảng 14kG/cm2 31 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng Áp suất hơi giảm sấy pgs là áp suất của hơi sau khi ra khỏi bộ giảm sấy Áp suất hơi giảm sấy thấp hơn áp suất hơi sấy Áp suất nước cấp pnc là áp suất của nước được bơm cấp vào nồi hơi Để nước có thể được nén vào nồi hơi, áp suất nước cấp... theo mục đích, nồi hơi tàu thủy có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau Dưới đây trình bày một số cách phân loại cơ bản 2.3.1 Phân loại theo áp suất công tác Nồi hơi thấp áp (low pressure boiler): có áp suất làm việc đến 2MPa (1MPa = 10bar = 9.81kG/cm2) Hầu hết nồi hơi thấp áp là các nồi hơi phụ, cung cấp hơi cho việc hâm sấy nhiên liệu hay lai các thiết bị phụ dưới tàu Nồi hơi trung áp (high... lại nồi hơi 4 Quá trình 4-5: Cấp nhiệt đẳng áp (constant pressure heating), nước được đun nóng đến nhiệt độ sôi trong nồi hơi bằng nguồn nhiệt từ phản ứng cháy nhiên liệu diễn ra trong nồi hơi 5 Quá trình 5-6: Hóa hơi đẳng áp (constant pressure evaporation), quá trình cấp nhiệt vẫn tiếp diễn, nước sôi và bay hơi trong nồi hơi 6 Quá trình 6-1: Quá nhiệt đẳng áp (constant pressure superheating), hơi ... động trình cháy bắt đầu 41 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng Hình 2.6 Hệ thống nồi tàu thủy 42 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng Khi nồi hoạt động, mức nước nồi. .. 175 7.3 Bảo dưỡng nồi tàu thủy 176 7.3.1 Vệ sinh nồi .176 7.3.2 Tẩy rửa cáu cặn nồi 178 7.3.3 Thử thủy lực nồi .179 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng... dụng tàu thủy Nồi đốt dầu sử dụng tàu thủy cần thỏa mãn yêu cầu sau đây: 43 NỒI HƠI TÀU THỦY TS Lê Văn Điểm - KS Hoàng Anh Dũng An toàn sử dụng Đây yêu cầu quan trọng có cố xảy trình hoạt động nồi