Đồ án lò hơi (repaired)

Có 2 kiểu lò hơi tận dụng nhiệt thải chính: Lò hơi tận dụng nhiệt thải kiểu ngang có ống bốc hơi nằm ngang thường phải tuần hoàn hay cưỡng bức để đạt được dòng chảy phù hợp trong ống và

LỜI CẢM ƠN

Khóa học 2019-2020 đã gần kết thúc đối với sinh viên khóa - Đồ án tốt nghiệp là dấu mốc quan trọng nhất trong

5 năm học tập Đó là kết quả rõ ràng và xác thực nhất để phản ánh chính xácnhững gì em học tập và nghiên cứu được trong 5 năm qua và để có được kết quảnhư ngày hôm nay

Trong quá trình học tập và rèn luyện, em đã nhận được sự chỉ bảo tận tìnhcủa các thầy cố giáo, sự giúp đỡ nhiệt tình của người thân và bạn bè để em cóthể hoàn thành đề tài tốt nghiệp này

Em xin bảy tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy, cô giáo trong khoa cũng như toàn thể các thầy cô giáo trường - Em xin chânthành cảm ơn các thầy, cô giáo trong bộ môn -, đặc biệt là thầy giáo - đã tận tình chỉ bảo cho em trong suốt quá trìnhlàm đồ án tốt nghiệp Em xin được bày tỏ long biết ơn sâu sắc tới thầy

-Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã động viên giúp đỡ

em trong suốt khóa học và trong thời gian thực hiện đề tài

Do lượng kiến thức còn hạn chế nên đồ án này không thể tránh khỏi nhữngthiếu sót, kính mong nhận được sự quan tâm góp ý của các thầy cô và bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Sinh viên thực hiện

-MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 5

1 Tính cấp thiết của đề tài 5

2 Mục đích nghiên cứu 5

3 Thời gian và địa điểm 6

4 Phương pháp nghiên cứu 6

5 Ý nghĩa khoa học của đề tài 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ LÒ HƠI 7

1 Nhiệm vụ, yêu cầu kĩ thuật, phân loại lò hơi 7

1.1 Vai trò của lò hơi trong nền kinh tế 7

1.2 Yêu cầu kĩ thuật đối với lò hơi 7

2 Phân loại hệ thống lò hơi 8

2.1 Lò hơi ống lửa 8

2.2 Lò hơi ống nước 8

2.3 Lò hơi trọn bộ 9

2.4 Lò hơi tận dụng nhiệt thải 10

2 Nguyên lí hoạt động của lò hơi 12

3 Các đặc tính kỹ thuật của Lò hơi 14

3.1 Thông số hơi của lò 14

3.2 Sản lượng hơi của lò 14

3.2 Hiệu suất của lò 14

3.4 Nhiệt thế thể tích của buồng lửa 15

3.5 Nhiệt thế diện tích trên ghi 15

3.6 Năng suất bốc hơi của bề mặt sinh hơi 15

CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH 16

ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT 16

1 Định nghĩa hơi quá nhiệt 16

2 Vai trò và phân loại của bộ qua nhiệt 17

2.1 Bộ quá nhiệt đối lưu 19

2.2 Bộ quá nhiệt bức xạ và nửa bức xạ 22

3 Cách bố trí bộ quá nhiệt 24

3.1 Bố trí bộ quá nhiệt hoàn toàn đối lưu 24

3.2 Bố trí bộ quá nhiệt tổ hợp 26

4 Các nguyên nhân làm thay đổi nhiệt độ hơi quá nhiệt 28

5 Tầm quan trọng của việc bảo đảm ổn định nhiệt độ hơi quá nhiệt 29

6 Cách điều chỉnh nhiệt độ quá hơi nhiệt Lò hơi 30

6.1 Điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt về phía hơi 30

6.2 Điều chỉnh nhiệt đô hơi quá nhiệt về phía khói 35

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt 38

1 Giới thiệu chung về PLC 38

2 Giới thiệu về PLC S7 – 1200 39

3 Giới thiệu chung về phần mềm TIA Portal 47

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48

3.1 Thiết kế, xây dựng chương trình điều khiển 49

3.1.1 Quy trình công nghệ 49

3.1.2 Lựa chọn bộ điều khiển 49

3.1.3 Xây dựng bảng phân công tín hiệu vào ra 50

DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH ẢNH

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Lò hơi được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp, mỗi ngành công nghiệp đều có nhu cầu sử dụng nhiệt với mức độ và công suất khác nhau Các nhà máy như: Nhà máy sản xuất thức ăn gia súc, nhà máy bánh kẹo,

sử dụng nồi hơi để sấy sản phẩm Một số nhà máy sử dụng nồi hơi để đun nấu, thanh trùng như nhà máy nước giải khát, nhà máy nước mắm, tương hay dầu thực vật Nhiệm vụ chính của lò hơi là biến đổi năng lượng tàng trữ của nhiên liệu thành nhiệt năng của hơi

Hơi quá nhiệt là một trong những chỉ tiêu rất quan trọng của lò hơi Việc duy trì nhiệt độ hơi quá nhiệt trong dải không đổi khi tải lò thay đổi luôn được đặt lên hàng đầu nhằm cải thiện hiệu quả chuyển đổi từ nhiệt năng thành cơ năng, tránh phá hủy các vật liệu kim loại , đảm bảo chất lượng hơi trước khi đưavào tuabin Điều này chỉ có thể thực hiện được nếu hệ thống điều chỉnh hơi quá nhiệt hoạt động tốt , ổn định chất lượng cao

Thực tế hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt ở nhà máy sau một thời gian làm việc thì biên độ dao động lớn, thời gian điều chỉnh kéo dài khi có bất

cứ sự thay đổi đáng kể nào về phụ tải, nhiễu … có thể dẫn tới nhiệt độ hơi quá nhiệt vượt ngoài khoảng cho phép, gây nguy hiểm , thiệt hại về kinh tế lớn khi phải dừng tổ máy Một trong những nguyên nhân đó là quá trình hiệu chỉnh thông số điều chỉnh không tốt Do vậy, em đã tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu phương pháp điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt trong lò hơi”

3 Thời gian và địa điểm.

Thời gian thực hiện

Từ tháng đến tháng năm :

-4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Phân tích là nghiên cứu các tài liệu, lý thuyết kỹ thuật lò hơi

Phương pháp điều tra: Khảo sát hệ thống hệ thống lò hơi trong thực tếPhương pháp kế thừa: Kế thừa các kết quả nghiên cứu, báo cáo của các dự

án cùng loại kèm theo bổ sung và chỉnh sửa

5 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Để tài: “Nghiên cứu phương pháp điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt trong

lò hơi” nhằm hiểu được cấu tạo và nguyên lí hoạt động của lò hơi, phương phápđiều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt trong quá trình vận hành lò hơi Đề tài này sẽđược phát triển và ứng dụng rộng rãi trong vận hành, sử dụng lò hơi

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ LÒ HƠI

1 Nhiệm vụ, yêu cầu kĩ thuật, phân loại lò hơi

1.1 Vai trò của lò hơi trong nền kinh tế

Lò hơi là thiết bị trong đó xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa ra từ quá trình cháy sẽ truyền cho nước trong lò để biến nước thành hơi Nghĩa là thực hiện quá trình biến đổi hoá năng của nhiên liệu thành nhiệt năng của dòng hơi

Lò hơi là thiết bị có mặt gần như trong tất cả các xí nghiệp, nhà máy Trong các nhà máy công nghiệp như nhà máy hóa chất, đường, rượu, bia, nước giải khát, thuốc lá, dệt, chế biến thực phẩm , hơi nước phục vụ cho các quá trình công nghệ như đun nấu, chưng cất các dung dịch, cô đặc và sấy sản phẩm Hơi ở đây thường là hơi bão hòa, có áp suất hơi tương ứng vớinhiệt độ bão hòa cần thiết cho quá trình công nghệ Loại lò hơi này được gọi là lò hơi công nghiệp, có áp suất hơi thấp, sản lượng nhỏ Trong nhà máy điện, lò hơi sản xuất ra hơi để làm quay tuốc bin, phục vụ cho việc sản xuất điện năng, đòi hỏi phải có công suất lớn, hơi là hơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt

độ cao Loại này được gọi là lò hơi để sản xuất điện năng Nhiênliệu đốt trong lò hơi cóthể là nhiên liệu rắn như than, gỗ, bã mía, có thể là nhiên liệu lỏng như dầu nặng (FO), dầu diezen (DO) hoặc nhiên liệu khí

1.2 Yêu cầu kĩ thuật đối với lò hơi

- Thiết bị sinh hơi phải có năng suất hơi cao (Tấn/giờ), hiệu suất sinh hơi lớn

- Chất lượng sản phẩm phải đáp ứng yêu cầu sản xuất: chất lượng nước nóng, hơi bão hoà hoặc hơi quá nhiệt

- Cấu tạo của thiết bị không quá phức tạp, sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa

dễ dàng

- Chi phí nhiên liệu riêng thấp, hiệu suất lò đốt cao

2 Phân loại hệ thống lò hơi

2.1 Lò hơi ống lửa

Hình 1: Lò hơi ống lửa

Với loại lò hơi này, khí nóng đi qua các ống và nước cấp cho

lò hơi ở phía trên sẽ được chuyển thành hơi Lò hơi ống lửa

thường được sử dụng với công suất hơi tương đối thấp cho đến

áp suất hơi trung bình Do đó, sử dụng lò hơi dạng này là ưu thếvới tỷlệ hơi lên tới 12.000 kg/giờvà áp suất lên tới 18 kg/cm2.Các lò hơi này có thể sử dụng với dầu, ga hoặc các nhiên liệu lỏng Vì các lý do kinh tế, các lò hơi ống lửa nằm trong hạng mục lắp đặt “trọn gói” (tức là nhà sản xuất sẽ lắp đặt) đối với tất cả các loại nhiên liệu

2.2 Lò hơi ống nước

Hình 2: Lò hơi ống nước

Ở lò hơi ống nước, nước cấp qua các ống đi vào tang lò hơi Nước được đun nóng bằng khí cháy và chuyển thành hơi ởkhu vực đọng hơi trên tang lò hơi Lò hơi dạng này được lựa chọn khinhu cầu hơi cao đối với nhà máy phát điện Phần lớn các thiết kếlò hơi ống nước hiện đại có công suất nằm trong khoảng

4.500 – 120.000 kg/giờ hơi, ở áp suất rất cao Rất nhiều lò hơi dạng này nằm trong hạng mục lắp đặt “trọn gói” nếu nhà máy

sử dụng dầu và hoặc ga làm nhiên liệu Hiện cũng có loại thiết kếlò hơi ống nước sử dụng nhiên liệu rắn nhưng với loại này, thiết kế trọn gói không thông dụng bằng

Lò hơi ống nước có các đặc điểm sau:

- Sự thông gió cưỡng bức, cảm ứng, và cân bằng sẽ giúp nâng cao hiệu suất cháy

- Yêu cầu chất lượng nước cao và cần phải có hệ thống xử lýnước

- Phù hợp với công suất nhiệt cao

2.3 Lò hơi trọn bộ

Hình 3: Lò hơi trọn bộ

Loại lò hơi này có tên gọi như vậy vì nó là một hệ thống trọn

bộ Khi được lắp đặt tại nhà máy, hệ thống này chỉ cần hơi, ống nước, cung cấp nhiên liệu và nối điện để có thể đi vào hoạt động Lò hơi trọn bộ thường có dạng vỏ sò với các ống lửa được thiết kế sao cho đạt được tốc độ truyền nhiệt bức xạ và đối lưu cao nhất

Lò hơi trọn bộ có đặc điểm sau:

- Buồng đốt nhỏ, tốc độ truyền nhiệt cao dẫn đến quá trình hoá hơi nhanh hơn

- Quá trình truyền nhiệt do đối lưu tốt hơn do được lắp đặt

số lượng lớn các ống truyền nhiệt có đường kính nhỏ giúp

truyền nhiệt đối lưu tốt

- Suất cháy cao do có sử dụng hệ thống thông gió cưỡng bức

- Quá trình truyền nhiệt tốt hơn nhờ số lần khí đi qua lò hơi.Hiệu suất nhiệt cao hơn so với các loại lò hơi khác

2.4 Lò hơi tận dụng nhiệt thải

Lò hơi tận dụng nhiệt thải là dạng Nồi hơi ống nước với cơ chế tuần hoàn tự nhiên hoặc cưỡng bức Các lò hơi tận dụng nhiệt thải kiểu này đều có bộ hâm, bộ quá nhiệt và bộ khử quá nhiệt Nhiệt độ khí đầu vào tối đa lên tới 6500C

Có 2 kiểu lò hơi tận dụng nhiệt thải chính:

Lò hơi tận dụng nhiệt thải kiểu ngang có ống bốc hơi nằm ngang thường phải tuần hoàn hay cưỡng bức để đạt được dòng chảy phù hợp trong ống và phải đủ hàm lượng nước tại đầu ra của ống sinh hơi trong mỗi chu trình vận hành làm việc của lò hơi

Lò hơi tận dụng nhiệt thải loại dọc có các ống trao đổi nhiệt chính ở vị trí thẳng đứng Lò hơi loại này phổ biến với kích thướcnhỏ hơn và thường cao hơn nhiều so với loại ngang Trong đồ ánlần này, đối tượng nghiên cứu của em là hệ thống lò hơi tận dụng nhiệt thải với cấu tạo như hình 4

Hình 4: Lò hơi tận dụng nhiệt thải kiểu dọc

2 Nguyên lí hoạt động của lò hơi

Hình 5: Nguyên lí hoạt động lò hơi

Nhiên liệu và không khí được phun qua vòi phun nhiên liệu +không khí vào buồng lửa tạo thành hỗn hợp cháy và được đốtcháy trong buồng lửa, nhiệt độ ngọn lửa có thể đạt tới 1.900oC.Nhiệt lượng tỏa ra khi nhiên liệu cháy truyền cho nước trongdàn ống sinh hơi, nước tăng dần nhiệt độ đến sôi, biến thànhhơi bão hòa Hơi bão hòa theo ống sinh hơi đi lên tập trung vào bao hơi.Trong bao hơi, hơi được phân li ra khỏi nước, nước tiếp tục đixuống theo ống xuống đặt ngoài tường lò rồi lại sang ống sinhhơi số để tiếp tục nhận nhiệt Hơi bão hòa từ bao hơi sẽ đi vàocác ống xoắn sẽ nhận nhiệt từ khói nóng chuyển động phíangoài ống để biến thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao hơn và đi

vào ống góp để sang tua bin hơi và biến nhiệt năng thành cơnăng làm quay tua bin.

Ở đây, ống sinh hơi đặt phía trong tường lò nên môi chấttrong ống nhận nhiệt và sinh hơi liên tục do đó trong ống sinhhơi là hỗn hợp và nước, còn ống xuống hơi đặt ngoài tường lònên môi chất trong ống không nhận nhiệt do đó trong ống lànước Khối lượng tiêng của hỗn hợp hơi và nước trong ống sinhhơi nhỏ hơn khối lượng riếng của nước trong ống xuống nên hỗnhợp trong ống sinh hơi đi lên, còn nước trong ống đi xuống liêntục tạo nên quá trình tuần hoàn tự nhiên, bởi vậy lò hơi nướcđược gọi là lò hơi tuần hoàn tự nhiên Buồng lửa trình bay trênhình là buồng lửa phun, nhiên liệu được phun vào và cháy lơlửng trong buồng lửa Quá trình cháy nhiên liệu xảy ra trongbuồng lửa và đạt đến nhiệt độ cao từ 13000C đến 19000C, chính

vì vậy hiệu quả trao đổi nhiệt bực xạ giữa ngọn lửa và dàn ốngsinh hơi rất cao và lượng nhiệt dàn ống sinh hơi thu được từngọn lửa chủ yếu là do trao đổi nhiệt, bức xạ Để hấp thụ cóhiệu quả nhiệt lượng bức xạ của ngọn lửa đồng thời bảo vệtường lò khỏi tác dụng của nhiệt độ cao và những ảnh hưởngxấu của tro nóng chảy, người ta bố trí các dàn ống sinh hơixung quanh tường buồng lửa Khói ra khỏi buồng lửa, chuyểnđộng ngoài ống truyền nhiệt cho hỗn hợp hơi nước chuyển độngtrong ống khói ra khỏi bộ quá nhiệt có nhiệt độ còn cao, để tậndụng phần nhiệt thừa của khói khi ra khỏi bộ quá nhiệt, ở phầnđuôi lò người ta đặt thêm bộ hầm nước và bộ sấy không khí Bộhầm hơi nước có nhiệm vụ gia nhiệt cho nước để nâng nhiệt độcủa nước từ nhiệt độ ra khỏi bình gia nhiệt lên đến nhiệt độ sôi

và cấp vào bao hơi Đây là giai đoạn đầu tiên của quá trình cấp

hơi nhiệt cho nước để thực hiện quá trình hóa hơi đẳng áp nướctrong lò Sự có mặt của bộ hâm nước sẽ làm giảm tổng diện tíchmặt đốt của lò hơi và sử dụng triệt để hơn nhiệt lượng tỏa ra khicháy nhiên liệu, làm ch nhiệt độ khói thoát khỏi lò giảm xuống,làm tăng hiệu suất lò hơi Không khí lạnh từ ngoài trời đượcquạt hút vào và thổi qua bộ sấy không khí Ở bộ sấy, không khínhận nhiệt của khói, nhiệt độ được nâng từ nhiệt độ môi trườngđến nhiệt độ yêu cầu và được đưa vào vòi phun để cung cấpcho quá trình đốt cháy nhiên liệu Như vậy bộ hầm nước và bộsấy không khí đã trả lại buồng lửa một phần nhiệt đáng lẽ bịthảo ra ngoài Chính vì vậy người tâ còn gọi bộ hâm nước và bộsấy không khí là bộ tiết kiệm nhiệt Ta hiểu như sau, bộ hầmnước và bộ sấy không khí đã hoàn trả lại buồng lửa một phầnnhiệt đáng lẽ bị thải ra ngoài Chính vì vậy người ta còn gọi bộhầm nước và bộ sấy không khí là bộ tiết kiệm nhiệt Như vậy, từkhi vào bộ hầm nước đến khi ra khỏi bộ quá nhiệt của lò hơi,môi chất (nước và hơi) trải qua các giai đoạn hấp thụ nhiệttrong các bộ phận sau: nhận nhiệt trong bộ hâm nước đến sôi,sôi trong dàn ống sinh hơi, quá nhiệt trong bộ quá nhiệt

3 Các đặc tính kỹ thuật của Lò hơi

Đặc tính kỹ thuật chính của lò là các đại lượng thể hiện số lượng và chấtlượng hơi được sản xuất ra Số lượng hơi sản xuất ra được xác định bằng sảnlượng hơi còn chất lượng hơi được xác định bằng thông số hơi

3.1 Thông số hơi của lò

Đối với lò hơi của nhà máy điện, hơi sản xuất ra là quá nhiệt nên thông hơicủa lò được biểu thị bằng áp suất và nhiệt độ hơi quá nhiệt: Pqn (Mpa), tqn(0C)

3.2 Sản lượng hơi của lò

Sản lượng hơi của lò là lượng hơi mà lò sản xuất ra được trong một đơn vịthời gian (Kg/h hoặc Tấn/h) Thường dùng 3 khái niệm sản lượng

- Sản lượng hơi định mức (Dđm): là sản lượng hơi lớn nhất lò có thể đạtđược, đảm bảo vận hành trong thời gian lâu dài, ổn định với các thông số hơi đãcho mà không phá hủy hoặc gây ảnh hưởng xấu đến chế độ làm việc của lò

- Sản lượng hơi cực đại (Dmax): là sản lượng hơi lớn nhất mà lò có thể đạtđược, nhưng chỉ trong một thời gian ngắn, nghĩa làlò không thể làm việc lâu dàivới sản lượng hơi cực đại được Sản lượng hơi cực đại bằng:

Dmax= (1,1 - 1,2) Dđm

- Sản lượng hơi kinh tế là sản lượng hơi mà ở đó lò làm việc với hiệu quảkinh tế cao nhất Sản lượng hơi kinh tế bằng:

Dkt = (0,8 - 0,9) Dđm

3.2 Hiệu suất của lò

Hiệu suất của lò là tỉ số giữa lượng nhiệt mà môi chất hấp thụ được (hay còngọi là lượng nhiệt có ích) với lượng nhiệt cung cấp vào cho lò

Hiệu suất của lò ký hiệu bằng η

Trong đó: D là sản lượng hơi, (kg/h)

iqn là entanpi của hơi quá nhiệt, (Kj/kg)

i’hn là entanpi của nước đi vào bộ hâm nứơc, (Kj/kg)

B là lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giờ, (kg/h)

Qtlv: Nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu, (Kj/kg)

3.4 Nhiệt thế thể tích của buồng lửa

Nhiệt thế thể tích của buồng lửa là lượng nhiệt sinh ra trong một đơn vị thờigian trên một đơn vị thể tích của buồng lửa

Trong đó:

Vbl: Thể tích buồng lửa, (m3), B (kg/s)

Đối với các lò hơi nhỏ, người ta còn chú ý đến các đặc tính sau đây

3.5 Nhiệt thế diện tích trên ghi

Nhiệt thế diện tích trên ghi là nhiệt lượng sinh ra trong một đơn vị thời giantrên một đơn vị diện tích bề mặt của ghi:

R: diện tích mặt ghi, (m2)

3.6 Năng suất bốc hơi của bề mặt sinh hơi

Năng suất bốc hơi của bề mặt sinh hơi là khả năng bốc hơi của một đơn vịdiện tích bề mặt đốt (bề mặt sinh hơi) trong một đơn vị thời gian, ký hiệu là S

D: Sản lượng hơi của lò, (kg/h)

H: diện tích bề mặt sinh hơi (bề mặt đôt), (m2)

CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH

ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT

1 Định nghĩa hơi quá nhiệt

Hơi bão hòa (Saturated Steam) là trạng thái cân bằng động của thể lỏng và thể khí của một chất lỏng dễ bay hơi: tốc độ bay hơi bằng tốc độ ngưng tụ xảy ra

ở bề mặt chất lỏng, khi mất nhiệt thì hơi ngưng tụ lại và chuyển thành trạng thái nước như ban đầu Hơi bảo hoà được sử dụng thông dụng nhất trong các nhà máy sản xuất bởi vì chi phí đầu tư hợp lý, giá rẻ Ví dụ như khi nước lạnh được đun sôi đến một nhiệt độ sôi nhất định và không còn tăng được nữa Lúc này, nước sẽ chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái khí bằng hình thức bay hơi Một phần nước sôi chuyển qua trạng thái hơi cho đến khi đạt áp suất lớn nhất,

tốc độ bay hơi bằng với tốc độ ngưng tụ của nước Hơi bão hòa có áp suất đạt giá trị cực đại gọi là áp suất hơi bão hòa áp suất hơi bão hòa là áp suất hơi mà tại đó thể hơi cân bằng với thể lỏng, đại lượng này càng lớn thì độ bay hơi càng cao Hơi bão hòa tỷ lệ thuận với nhiệt độ và áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ nào thì tương ứng với áp suất đó.

Hơi Quá Nhiệt (Superheated Steam) = Hơi bảo hoà + Bộ gia nhiệt Hơi quá

nhiệt là hơi có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bão hòa của nó trong điều kiện áp suất bão hòa tương ứng Ví dụ khi nước đun sôi đến trạng thái bão hòa, hơi bão hòa được rút ra đi qua bộ phận gia nhiệt để tiếp tục cung cấp nhiệt bằng bức xạ hoặc tiếp xúc trực tiếp và sấy khô hoàn toàn hơi nước giúp hơi đạt được nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bão hòa của hơi nước Khi nước bốc hơi hoàn toàn, sự tiếp tục gia tăng nhiệt độ (cao hơn nhiệt độ hơi bão hòa) cho hơi nước đều gọi là hơi bão hòa Các tính chất của hơi nước siêu nóng gần với một khí hoàn hảo hơn là hơi

Vì hơi quá nhiệt không có mối liên hệ trực tiếp giữa nhiệt độ và áp suất nên ở một áp suất đặc biệt hơi nước nóng có thể tồn tại ở một phạm vi rộng nhiệt độ

Vì nhu cầu sử dụng nhiệt cao, hơi nóng và khô nên hơi quá nhiệt thường được sử dụng trong hệ thống vận hành tuabin để nâng cao hiệu suất nhiệt Giá trị lớn nhất của hơi quá nhiệt nằm ở năng lượng nội tại rất lớn có thể được sử dụng cho phản ứng động học thông qua việc mở rộng cơ học chống lại lưỡi tuabin và piston quay, tạo ra chuyển động quay của trục Ngoài ra, với đặc tính của nó, hơi quá nhiệt còn được sử dụng trong công nghệ bề mặt, công nghệ làm sạch, xử lý xúc tác / xử lý phản ứng hóa học, công nghệ sấy bề mặt, công nghệ bảo dưỡng, đất hấp, hệ thống năng lượng, công nghệ nano,… Mặc dù vậy, hơi quá nhiệt dễ làm hư hỏng, hao mòn thiết bị do nhiệt độ hơi rất cao và hoàn toàn khô Ngoài ra, do phải sử dụng bộ phận gia nhiệt để tăng nhiệt độ của hơi nên chi phí sản xuất tăng cao

2 Vai trò và phân loại của bộ qua nhiệt

Bộ quá nhiệt là bộ phận để sấy khô hơi, gia nhiệt cho hơi biến hơi bão hòa thành hơi quá bão Hơi quá nhiệt có nhiệt độ

cao hơn, do đó nhiệt lượng tích lũy trong một đơn vị khối lựong hơi quá nhiệt cao hơn nhiều so với hơi bão hòa ở cùng áp suất Bởi vậy khi công suất máy giống nhau nếu dùng hơi quá nhiệt thì kích thước máy sẽ nhỏ hơn rất nhiều so vớii máy dùng hơi bão hòa

Để nhận được hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao, cần phải đặt

bộ quá nhiệt ở vùng khói có nhiệt độ cao (trên 7000C) Đối với lò

có nhiệt độ hơi quá nhiệt từ 5100C trở xuống thì bộ quá nhiệt thường được đặt ở vùng khói có nhiệt độ dưới 10500C, thường lòđặt ở đoạn ống khói nằm ngang sau cụm ống pheston Ở đây trao đổi nhiệt giữa khói và cụm ống chủ yếu là trao đổi nhiệt đốilưu nên gọi là bộ quá nhiệt đối lưu

Các lò hơi có áp suất, nhiệt độ hơi quá nhiệt càng cao thì tỷ

lệ giữa lượng nhiệt cần cấp để quá nhiệt hơi trong bộ quá nhiệt với lượng nhiệt cần cấp để đun sôi nước trong dàn ống sinh hơi càng cao, nhất là lò có quá nhiệt trung gian hơi, khiến cho kích thước bộ quá nhiệt rất lớn Khi đó nếu chỉ đặt bộ quá nhiệt sau cụm pheston thì độ chênh nhiệt độ giữa khói và hơi sẽ giảm nêndiện tích bề mặt ống của bộ quá nhiệt sẽ rất lớn, có thể sẽ

không đủ vị trí để bố trí, do đó cần thiết phải bố trí một phần của bộ quá nhiệt vào buồng lửa để hấp thu nhiệt bức xạ nhằm giảm bớt kích thước bộ quá nhiệt

Đối với lò có nhiệt độ hơi quá nhiệt cao hơn 5100C, bộ quá nhiệt được đặt ở cửa ra buồng lửa (trước cụm pheston) Ở đây

bộ quá nhiệt vừa nhận nhiệt đối lưu từ dòng khói đi qua, vừa nhận nhiệt bức xạ từ buồng lửa nên gọi là bộ quá nhiệt nửa bức

xạ

Khi bộ quá nhiệt có thể được đặt ở trên trần buồng lửa hay đặt xen kẽ với các ống sinh hơi trên tường buồng lửa, ở đây bộ quá nhiệt nhận nhiệt chủ yếu là từ bức xạ của buồng lửa nên gọi là bộ quá nhiệt bức xạ Bộ quá nhiệt bức xạ thường được dùng khi nhiệt độ hơi trên 5600C

Bộ quá nhiệt gồm phần đối lưu, nửa bức xạ và bức xạ được gọi là bộ quá nhiệt tổ hợp Tỷ lệ giữa các phần này được phân

bố phụ thuộc vào thông số của lò hơi Hình 6 trình bày cách bố trí bộ quá nhiệt đối lưu, nửa bức xạ và nửa bức xạ trong lò hơi

Hình 6: Cấu tạo bộ quá nhiệt

Đối với những chu trình nhiệt có quá nhiệt trung gian thì bộ quá nhiệt trung

gian thường là bộ quá nhiệt đối lưu

2.1 Bộ quá nhiệt đối lưu

Bộ quá nhiệt đối lưu thường được chế tạo gồm những ống xoắn, hai đầu được nối vào 2 ống góp Ống xoắn bộ quá nhiệt lànhững ống thép chịu nhiệt uốn gấp khúc nhiều lần đảm bảo chođường khói cắt đường hơi nhiều lần Mỗi ống xoắn được uốn gấpkhúc trong một mặt phẳng, nhiều ống xoắn cùng nối vào một ống góp tạo thành cụm ống Ống có đường kính từ 28-42 mm, chiều dày từ 3 đến 7 mm Các ống xoắn của bộ quá nhiệt có thểđặt nằm ngang hoặc đặt đứng phụ thuộc vào kiểu lò hơi Bộ quánhiệt ống xoắn đặt nằm ngang thường dùng cho các lò hơi nhỏ

có ống sinh hơi nằm nghiêng khi đó người ta bố trí ống xoắn nằm ngang để tận dụng triệt để các khoảng không gian trong đường khói của lò Bộ quá nhiệt ống xoắn đặt nằm ngang được biểu diễn trên hình 7

Hình 7: Bộ quá nhiệt ống xoắn đặt nằm ngang

Bộ quá nhiệt ống xoắn đặt nằm ngang có ưu điểm là có thể

xả được nước đọng do hơi ngưng tụ khi ngừng lò nên tránh đượchiện tường ăn mòn ống xoắn khi lò nghỉ.Nhược điểm lớn nhất của bộ quá nhiệt loại này là hệ thống treo đỡ các ống xoắn vì các ống xoắn nằm ngang nên phải được giữ bởi các đai thép chịu nhiệt dài bằng chiều sâu của cụm ống và được treo lên khung lò Hệ thống treo đỡ không được làm mát nên sẽ có nhiệt

độ rất cao, làm việc trong điều kiện rất năng nề, chóng hỏng

Ở các lò hơi hiện đại ống nước đứng thường bố trí bộ quá nhiệt ống xoắn đặt đứng, có ống góp hơi đặt song song với bao hơi ưu điểm của bộ quá nhiệt ống xoắn đặt đứng là hệ thống treo đỡ đơn giản, làm việc nhẹ nhàng hơn so với ống xoắn nằm ngang Nhược điểm của bộ quá nhiệt ống xoắn đặt đứng là khi

lò nghỉ nước đọng trong các ống xoắn do hơi ngưng tụ sẽ gây

ăn mòn các ống xoắn, mặt khác nó cản trở không cho hơi thoát qua bộ quá nhiệt lúc khởi động lò và tạo thành các túi hơi trong các ống xoăn làm ống bọ đốt nóng quá mức Bộ quá nhiệt ống xoắn đặt đứng được biểu diễn tren hình 8

Hình 8: Bộ quá nhiệt ống xoắn đặt đứng

Để cố định các ống xoắn với nhau người ta thường dùng cáctấm gang chịu

nhiệt hình răng lược để cài các ống xoắn hoặc dùng các thanhnẹp bằng thép chịu nhiệt Các ống xoắn của bộ quá nhiệt đượcđặt đứng sẽ khắc phục được ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độtheo chiều cao đường khói đến lượng nhiệt hấp thu của từngống xoắn Các ống dẫn hơi từ bao hơi đến bộ quá nhiệt thườngđượcđặt trên trần lò, nó vừa có thể hấp thu nhiệt, vừa làm máttrần lò Các ống trên trần và các ống xoắn của bộ quá nhiệtđược giữ bằng các đai (các thanh lượn sóng), giữa đai và ống cólót một lớp đệm amiăng để bảo vệ ống

Khi nhiệt độ hơi quá nhiệt lớn hơn nhiệt độ bão hoà khoảng

2000C trở lên thì người ta chia bộ quá nhiệt thành hai hoặc ba cấp nối tiếp nhau theo đường hơi đi theo thứ tự cấp một, cấp hai

và cấp ba, giữa các cấp là các ống góp hơi được nối với nhau

Độ gia nhiệt của mỗi cấp khoảng từ 100-1500C, hấp thu một lượng nhiệt khoảng 200-350kj/kg

Khi tách ra như vậy thì độ gia nhiệt của mỗi cấp không lớn lắm và các cấp có nhiệt độ hơi trung bình khác nhau nên mỗi cấp được chế tạo bằng một loại vật liệu phù hợp với nhiệt độ làm việc của nó do đó tiết kiệm được vật liệu đắt tiền Ví dụ lò trung áp có nhiệt độ hơi quá nhiệt khoảng 4500C thì bộ quá nhiệt được chia thành hai cấp, hơi ra khỏi bộ quá nhiệt cấp hai

có nhiệt độ 4500C nên bộ quá nhiệt cấp hai được chế tạo bằng thép hợp kim crom-molipđen, trong khi đó hơi ra khỏi bộ quá nhiệt cấp một có nhiệt độ khoảng 360-3800C nên bộ quá nhiệt cấp một có thể được chế tạo bằng thép carbon Mặt khác khi tách ra như vậy, giữa các cấp có thể bố trí thiết bị điều chỉnh

nhiệt độ hoặc tạo điều kiện làm đồng đều chênh lệch trở lực và nhiệt độ giữa các ống xoắn.

Thông thường bộ quá nhiệt cấp hai nằm gần cửa khói ra khỏi buồng lửa Ở đây khói có nhiệt độ cao nên để giảm nguy

cơ đóng xỉ trên ống, các ống xoắn thường được bố trí song songđồng thời cần đảm bảo bước ngang tương đối

s1/d = 4,5 và bước dọc tương đối s2/d = 3,5 Bộ quá nhiệt cấp một đặt sau, nằm ở vùng khói có nhiệt độ thấp hơn, nên để tăng khả năng đối lưu của khói thì các ống xoắn được bố trí so

le

Các ống xoắn này có thể được bố trí là ống đơn hay ống kép như biểu diễn trên hình 9 Việc chọn bố trí ống đơn hay kép phụ thuộc vào số l-ợng ống của bộ quá nhiệt, việc đảm bảo tốc độ hơi và kích thước đường khói (chỗ đặt bộ quá nhiệt)

Hình 9: Các dạng ống xoắn của bộ quá nhiệt

Hơi trong ống của bộ quá nhiệt phải đảm bảo tốc độ trongmột phạm vi nào đó đủ để làm mát cho ống Khi bố trí ống képthì tốc độ khói không thay đổi, nhưng tốc độ hơi sẽ giảm đi 2lần nên nếu tốc độ nhỏ quá thì có thể sẽ không đảm bảo đượcđiều kiện làm mát ống đồng thời còn gây nên chênh lệch nhiệt

giữa các ỗng xoắn do phân bố lưu lượng qua các ống khôngđều Bộ quá nhiệt nửa bức xạ và bức xạ

2.2 Bộ quá nhiệt bức xạ và nửa bức xạ

Với những lò cao và siêu cao áp có nhiệt độ hơi quá nhiệt từ

5300C trở lên thì độ quá nhiệt hơi rất lớn nên kích thước bộ quánhiệt sẽ rất lớn và nhất là những lò có quá nhiệt trung gian hơi,khi đó cần thiết phải có một phần bộ quá nhiệt là bức xạ hoặcnửa bức xạ

Bộ quá nhiệt nửa bức xạ là những chùm ống xoắn chữ Uhoặc chữ L được chế dạng dàn phẳng, được bố trí ở phần trênbuồng lửa hay ở cửa ra buồng lửa Các dàn được đặt cách nhau

từ 0,7 đến 0,9m (bước ngang s1) để khói dễ dàng lưu thông quađồng thời tránh khả năng tạo nên cầu xỉ giữa các dàn ống Cácdàn có thể được đặt đứng hay nằm ngang

Để giữ khoảng cách giữa các dàn ống người ta dùng cácống giữ Các ống này cũng chính là ống hơi của dàn được uốncong chữ V, các ống giữ được nối với nhau bằng nẹp giữ Hình

10 trình bày cấu tạo của bộ quá nhiệt nửa bức xạ

Hình 10: Cấu tạo của bộ quá nhiệt nửa bức xạ

Bộ quá nhiệt bức xạ có thể là những dàn ống đặt trên trần buồng lửa hoặc các ống nằm xen kẽ với các ống sinh hơi trên tường buồng lửa Ở đây các ống nhận nhiệt bằng bức xạ từ ngọn lửa với nhiệt độ cao nên cường độ trao đổi nhiệt lớn Phụ tải nhiệt của bộ quá nhiệt bức xạ thường lớn hơn bộ quá nhiệt đối lưu từ 3-5 lần nên nhiệt độ vách ống cũng cao hơn nhiệt độ hơi từ 100-1400C, do đó yêu cầu rất cao về kim loại chế tạo và chế độ vận hành Tuy nhiên do có phụ tải nhiệt lớn nên khi bố trí bộ quá nhiệt bức xạ sẽ giảm đáng kể kích thước bộ quá nhiệtđối lưu của lò

Hình 11: Sơ đồ bộ quá nhiệt bức xạ đặt xen kẽ giàn ống

3 Cách bố trí bộ quá nhiệt

Việc bố trí cho hơi đi vào phần nào trước trong bộ quá nhiệt

tổ hợp hay bố trí cho hơi và khói chuyển động thuận chiều, ngược chiều hoặc hỗn hợp trong bộ quá nhiệt đối lưu là tùy thuộc vào thông số của hơi ra khỏi bộ quá nhiệt Bộ quá nhiệt được bố trí sao cho có lợi nhất về mặt truyền nhiệt để giảm lượng kim loại tiêu hao đồng thời đảm bảo tối ưu về kim loại chế

tạo các phầncủa bộ quá nhiệt, để khi làm việc nhiệt độ vách ống không vượt quá trị số cho phép.

3.1 Bố trí bộ quá nhiệt hoàn toàn đối lưu

Trong bộ quá nhiệt đối lưu có thể bố trí cho hơi và khói

chuyển động thuận

chiều, ngược chiều hoặc hỗn hợp như trên hình 12

Hình 12: Chuyển động cuẩ hơi trong bộ quá nhiệt

- Bố trí theo kiểu thuận chiều

Nếu bố trí cho hơi quá nhiệt đi thuận chiều với dòng khói(biểu diễn trên hình 12a) thì kim loại ống sẽ làm việc trong điềukiện nhẹ nhàng hơn, nhưng độ chênh nhiệt độ trung bình giữakhói và hơi sẽ thấp hơn so với bố trí ngược chiều, do đó diệntích bề mặt trao đổi nhiệt của bộ quá nhiệt sẽ tăng lên Bởi vậytrong thực tế không bố trí theo kiểu thuận chiều

- Bố trí theo kiểu ngược chiều:

Nếu bố trí cho hơi quá nhiệt đi nguợc chiều với dòng khói(biểu diễn trên hình b) thì hiệu số nhiệt độ trung bình giữa khói

và hơi sẽ cao hơn so với bố trí thuận chiều, do đó diện tích bềmặt trao đổi nhiệt của bộ quá nhiệt sẽ giảm xuống Nhưng khi

đó phía hơi ra vừa có nhiệt độ hơi cao vừa có nhiệt độ khói cao,kim loại sẽ làm việc trong điều kiện rất nặng nề, đòi hỏi kim loại

chế tạo phải rất đắt tiền Vì vậy trong thực tế kiểu bố trí ngượcchiều chỉ dùng cho các lò có nhiệt độ hơi quá nhiệt không vượtquá 4500C.

- Bố trí theo kiểu hỗn hợp:

Khi nhiệt độ hơi quá nhiệt cao hơn 4500C thì bộ quá nhiệt được bố trí kiểu hỗn hợp, hai lần ngược chiều như trên hình 8.9choặc một phần hơi và khói đi ngược chiều và một phần đi thuậnchiều

Trong thực tế thường bố trí hơi đi ngược chiều với khói trong

bộ quá nhiệt cấp một đặt ở vùng khói có nhiệt độ thấp hơn và đithuận chiều trong bộ quá nhiệt cấp hai đặt ở ngay sau pheston

có nhiệt độ khói cao hơn Bố trí theo kiểu này, phía hơi ra có nhiệt độ hơi cao nhưng nhiệt độ khói không cao, kim loại sẽ không bị đốt nóng quá mức

Khi đó bộ quá nhiệt cấp hai được chế tạo bằng thép hợp kim crom-molipđen, còn bộ quá nhiệt cấp một có thể được chế tạo bằng thép carbon