Hình 3.6 Sơ đồ nhiệt nguyên lý của nhà máy nhiệt điện chu trình hỗn hợp khí-hơi:
GOA BNC MN Khí thiên nhiên SNL TA CA HA BN KK PL HRSG GT 1 2 3 4 5 6 E 7 Trong đó:
HRSG : Lò hơi thu hồi nhiệt. GT : Tuabin khí
CA : Tầng cao áp. TA : Tầng trung áp. HA : Tầng hạ áp. BN : Bình ngưng.
BNN : Bơm nước ngưng. LE : Bình làm lạnh Ejectơ.
HA5,6,7,8 : Các bình gia nhiệt hạ áp 5,6,7,8. CA 1,2,3 : Các bình gia nhiệt cao áp 1,2,3. BNC : Bơm nước cấp.
KK : Thiết bị khử khí.
GNBS : Gia nhiệt nước bổ sung. BPL : Phân li hơi.
* Diễn giải sơ đồ nhiệt nguyên lý :
Nhiên liệu khí đồng hành sau khi cháy, giãn nở và sinh công trong turbine khí thì theo ống dẫn thải đi qua thiết bị hồi nhiệt, gia nhiệt cho nước thành hơi quá nhiệt rồi thải ra ngoài môi trường.
Hơi quá nhiệt sau bộ hồi nhiệt đi vào turbine hơi cao áp giãn nở và sinh công, sau đó được tiếp tục quá nhiệt trung gian 1 lần nữa rồi tiếp tục giãn nở sinh công ở trong phần turbine trung áp và hạ áp. Trên turbine có 7 cửa trích gia nhiệt cho nước ngưng, nước cấp và thiết bị khử khí. Phần hơi còn lại sau turbine hạ áp được đưa vào bình ngưng và ngưng tụ thành nước ngưng nhờ giải nhiệt cho môi trường làm mát. Nước ngưng sau khi ra khỏi bình ngưng được bơm nước ngưng bơm qua bình làm lạnh Ejectơ sau đó qua các bình gia nhiệt hạ áp rồi dồn về thiết bị khử khí. Nước ngưng sau khi được khử khí sẽ được chứa trong bể khử khí, sau đó được bơm nước cấp đưa qua các bình gia nhiệt cao áp làm tăng nhiệt độ trước khi đưa vào thiết bị hồi nhiệt.
Hơi từ các cửa trích của tuabin gia nhiệt cho nước ngưng, nước cấp bao gồm: 3 cửa trích ở phần cao áp được gia nhiệt cho bình gia nhiệt cao áp số 1 ,số 2 ,số 3 và bình khử khí; 4 cửa trích ở phần trung áp và hạ áp được gia nhiệt cho bình gia nhiệt hạ áp số 5, số 6 ,7 và số 8. Ở thiết bị khử khí do hơi được trích từ cửa trích có áp suất cao nên được đưa qua thiết bị giảm ôn giảm áp để hạ nhiệt độ và áp suất xuống phù hợp với yêu cầu. Hơi ở các cửa trích của tuabin sau khi gia nhiệt cho nước ngưng, nước cấp thì sẽ ngưng tụ thành nước đọng. Sơ đồ dồn nước đọng ở các bình gia nhiệt được chọn ở đây là sơ đồ dồn cấp phối hợp với bơm: vừa dồn cấp, vừa bơm đẩy về đường nước chính. Ở các bình gia nhiệt cao áp (CA) nước đọng được dồn từ CA1 → CA2 → CA3 do độ lệch về áp suất, sau đó nước đọng được dồn vào bình khử khí. Ở các bình gia nhiệt hạ áp thì nước đọng được dồn từ bình gia nhiệt hạ áp HA5 → HA6→ HA7 rồi dùng bơm nước đọng dồn về điểm hỗn hợp trên đường nước ngưng chính phía đầu ra của bình gia nhiệt hạ áp số 7. Nước đọng của bình làm lạnh ejectơ và bình gia nhiệt HA8 được đưa về bình ngưng.
Chương 4
4.1. Thành phần cấu tạo cùa lò hơi thu hồi nhiệt 4.1.1 Bộ hâm nước
Bộ hâm nước là bộ trao đổi nhiệt để gia nhiệt cho nước cấp trước vào bộ sinh hơi. Vị trí của bộ hâm nước được đặt giữa bơm nước cấp và bao hơi.
Quá trình gia nhiệt hâm nước bao gồm một hoặc nhiều cấp và trong mỗi cấp là mỗi bộ trao đổi nhiệt riêng biệt.
Nước cấp được gia nhiệt từ khí thải có nhiệt độ thấp từ tuabin khí do đó nó là thiết bị tận dụng tối đa nhiệt từ khí thải.
Khoảng gia nhiệt trong bộ hâm nước không được quá lớn để tránh hiện tượng nước sôi điều này sẽ gây rung và va đập do đó tạo nên một áp lực có thể gây hư hại thiết bị.
Việc sử dụng bộ hâm nước để gia nhiệt nước cấp sẽ làm tăng hiệu suất của lò hơi thu hồi nhiệt bởi vì nó tận dung tối đa nhiệt thải.
Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý bộ hâm nước
4.1.2 Bộ sinh hơi
Bộ sinh hơi là nơi mà nước được gia nhiệt đến nhiệt độ sôi để sinh hơi
Bộ sinh hơi bao gồm : các ống sinh hơi, ống nước xuống, bao hơi và bao nước. Nước cấp được cấp cẩn thận ở áp suất thích hợp để đưa lên bao hơi rồi đi xuống bao nước qua ống nước xuống rồi ngập trong các ống sinh hơi.
Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý bộ sinh hơi
4.1.2.1 Bao hơi
Bao hơi có vai trò chứa hỗn hợp nước và hơi bão hòa, nó được kết nối bơm nước cấp, hơi đi ra, ống nước xuống, và ống sinh hơi, ngoài ra nó còn dung để xả đáy hay xả hơi trong trường hợp quá áp lực.
4.1.2.2 Các ống nước xuống
Các ống nước xuống có vai trò tuần hoàn nước trong bao hơi, các ống này dẫn nước từ bao hơi xuống bao nước thông qua bơm tuần hoàn hoặc nhờ tuần hoàn tự nhiên.
4.1.2.3 Các ống sinh hơi ( ống nước lên)
Các ống sinh hơi có vai trò sử dụng nhiệt của khí thải để sinh hơi, chúng nối bao hơi và bao nước với nhau.
Nước được bơm lên hoặc tuần hoàn tự nhiên ngập trong các ống sinh hơi, hơi sinh ra với nhiệt độ cao hơn sẽ đi lên và vào bao hơi.
Bộ quá nhiệt là bộ trao đổi nhiệt được sử dụng để gia nhiệt cho hơi bão hòa ra khỏi bao hơi thành hơi quá nhiệt khác với bộ hâm nước bộ quá nhiệt dung phần khí thải có nhiệt độ cao từ tuabin.
Bộ quá nhiệt có thể có một hoặc nhiều cấp vỡi mỗi cấp là mỗi bộ trao đổi nhiệt riêng biệt. Nhiệt độ đầu ra có thể thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ của khí thải tuabin trong trường hợp không có tác động điều chỉnh
Hình 4.3 sơ đồ nguyên lý bộ quá nhiệt
Như vậy bộ hâm nước, bộ sinh hơi và bộ quá nhiệt có liên quan đến hầu hết các quá trình hơi nước. Việc lắp đặt thêm các thiết bị khác phụ thuộc vào tính kinh tế, việc chọn chu trình và quá trình hơi yêu cầu.
Hình 4.4 Sơ đồ cấu tạo giản đơn các bộ trao đổi nhiệt cơ bản cùa lò hơi thu hồi nhiệt
4.1.4. Bộ quá nhiệt trung gian
Bộ quá nhiệt trung gian cũng giống như bộ quá nhiệt và được sử dụng trong chu trình với nhiều cấp áp suất.
Bộ quá nhiệt trung gian có vai trò quá nhiệt trung gian cho hơi sau khi giãn nỡ ở phần cao áp tuabin, nhiệt độ hơi quá nhiệt trung gian có thể nâng lên đến nhiệt độ hơi quá nhiệt ở phần cao áp do đó hiệu suất nhiệt tăng lên.
Việc sử dụng hệ thống quá nhiệt trung gian rất tốn kém vì yêu cầu cao về kim loại chế tạo, hệ thống khởi và điều chỉnh tải phức tạp.
4.1.5. Bộ gia nhiệt bổ xung
Bộ gia nhiệt bổ xung được đặt ở phần cuối trên đường khí thải của lò hơi thu hồi nhiệt, để gia nhiệt cho nước ngưng trước khi vào bình khử khí.
4.2 Phân loại lò lơi thu hồi nhiệt 4.2.1 Theo phương thức tuần hoàn
4.2.1.1 Lò hơi thu hồi nhiệt theo phương thức tuần hoàn tự nhiên
Phương thức tuần hoàn tự nhiên thường được sử dụng trong các lò kiểu ngang với các ống trao đổi nhiệt được đặt đứng.
Tuần hoàn tự nhiên nhờ chênh lệch trọng lượng riêng của hơi và nước, nước có trọng lượng riêng lớn hơn sẽ sẽ theo các ống nước xuống vào ngạp trong dàn ống sinh hơi, hơi nhẹ hơn sẽ có xu hướng đi lên tạo thành một vòng tuần hoàn.
Theo phương pháp này các bộ hâm, bộ sinh hơi và quá nhiệt thường được hỗ trợ treo đỡ từ phía trên của HRSG và cho phép mở rộng theo chiều dọc. Vì cấu tạo như thế cac bộ trao đổi nhiệt thường được lắp đặt sẵn thành các mo-đun để lắp đặt nên tiết kiệm được thời gian.
4.2.1.2 Lò hơi thu hồi niệt theo phương thức tuần hoàn cưỡng bức
Phương thức tuần hoàn cưỡng bức được dùng trong lò thu hồi nhiệt kiểu đứng với khói chuyển động thằng đứng qua các bộ trao đổi nhiệt nằm ngang
Quá trình tuần hoàn của nước và hơi bão hòa qua các ống sinh hơi và bao hơi được duy trỳ nhờ bơm tuần hoàn.
Ưu điểm của lò thu hồi nhiệt tuần hoàn cưỡng bức là chiếm ít diện tích, và khởi động nhanh hơn kiểu tuần hoàn tự nhiên. Tuy nhiên nó yêu cầu hệ thống thiết bị bơm tuần hoàn điều này ảnh hưởng đến chi phí đầu tư và độ tin cậy thiết bị.
4.2.2 Phân loại theo cấp áp suất
4.2.2.1 Lò hơi thu hồi nhiệt một cấp áp suất
Lò hơi thu hồi nhiệt một cấp áp suất có thể là lò tuần hoàn tự nhiên hoặc cưỡng bức và có kích thước nhỏ hơn so với lò thu hồi nhiệt nhiều cấp áp suất.
Hình 4.7 Lò hơi thu hồi nhiệt 1 cấp áp suất Nhiệt thu hồi từ khí thải tuabin khí thường được thực hiện qua ba bước:
- Tại bộ hâm nước: Khí thải với nhiệt độ ở mức thấp được sử dụng để gia nhiệt nước cấp
- Tại bộ sinh hơi : Khí thải với nhiệt độ ở mức trung bình được dung để sinh hơi. - Tại bộ quá nhiệt : Khí thải với nhiệt độ ở mức cao dùng để quá nhiệt hơi .
4.2.2.2 Lò hơi thu hồi nhiệt nhiều cấp áp suất
Lò hơi thu hồi nhiệt nhiều cấp áp suất cũng giống như lò hơi thu hồi nhiệt một cấp có thêm vào cấc bộ trao đổi nhiệt nư bộ hâm nước, bộ sinh hơi và bộ quá nhiệt của cấp trung áp và hạ áp.
Lò hơi thu hồi nhiệt nhiều cấp áp suất được sử dụng để tận dụng tối đa nhiệt từ khí thải nên nó có hiệu quả, kíc thước và chi phí lắp đặt lớn hơn lò hơi thu hồi nhiệt một cấp áp suất.
Việc tăng hiệu suất thu hồi nhiệt nhờ them vào các bộ trao đổi nhiệt cũng có nghĩa thu hồi được thêm năng lượng tương đương với việc sinh ra thêm một lượng hơi có thể sử dụng để: khử khí, chèn trục hay sinh công…
Hình 4.8 Sơ đồ lò hơi thu hồi nhiệt 2 cấp áp suất
4.2.3 Lò hơi thu hồi nhiệt không có bộ đốt và có bộ đốt 4.2.3.1 Lò hơi thu hồi nhiệt không có bộ đốt
Lò hơi thu hồi nhiệt không có bộ đốt sử dụng khi lượng nhiệt từ khí thải tuabin khí đảm bảo cho việc sản xuất hơi
Vì lý dó nào đó nếu yêu cầu thêm hơi thì nó sẽ được cấp từ nguồn khác như : lò hơi phụ, lò điện,
4.2.3.2 Lò hơi thu hồi nhiệt có thêm bộ đốt
Ngược lại với lò thu hồi nhiệt không có bộ đốt khi lượng khí thải từ tuabin khí không đảm bảo co việc sản xuất hơi yêu cầu thì Lò hơi thu hồi nhiệt được thiết kế có trang bị thêm bộ đốt.
4.3 Những vấn đề khi vận hành
Vấn đề chính ảnh hưởng đến thiết kế thiết thu hồi nhiệt sinh hơi là qúa trình khởi động rất nhanh của thiết bị tuabin khí. Sự dãn nở nhanh xảy ra trong quá trình khởi động có thể được xem xét để thiết kế phòng ngừa cho phù hợp, ví dụ như cô lập tạm các cụm ống,….. Giới hạn chính của nó là mức độ tăng tải nảy sinh trong bao hơi. Để có thể khởi động nhanh, đường kính bao hơi nên chế tạo càng nhỏ càng tốt, điều này chỉ thực hiện được khi áp suất hơi làm việc thấp. Áp suất hơi tối ưu chế tạo thiết bị thu hồi nhiệt sinh hơi không đốt bổ sung khoảng 30-70 bar, điều kiện thuận lợi để có thể khởi động nhanh Một vấn đề nữa trong quá trình vận hành là sự thay đổi thể tích bên trong thiết bị bay hơi trong suốt quá trình khởi động. Chênh lệch thể tích riêng lớn giữa nước và hơi ở áp suất hạ áp và trung áp là nguyên nhân một lượng lớn nước có thể bị đẩy ra khỏi thiết bị bay hơi trong quá trình bay hơi lúc khởi động. Bao hơi phải giữ lại được hầu hết lượng nước này vì nếu không một lượng nước rất lớn thất thoát ra ngoài qua ống xả an toàn của bao hơi mỗi khi khởi động. Vì thế thể tích toàn bao hơi thuộc vào thời gian khởi động và lượng nước thất thoát cho phép, nên vào khoảng 1,5-2,5 lần thể tích hơi bay hơi lúc hoạt động bình thường. Lượng hơi thừa này còn có thể được giữ lại và giới hạn trong vòng tuần hoàn kín, ít nhất là không cho hơi thoát ra trong bộ gia nhiệt nước.
Để tăng hiệu suất tải từng phần và xử lý các sự cố trong nhà máy chu trình hỗn hợp, vì thế ta có thể thiết kế cho thiết bị sinh hơi hoạt động ở nhiều áp suất khác nhau.
Chương 5
Tính Toán Thiết Kế Các Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Trong Lò Thu Hồi Nhiệt Sinh Hơi
5.1. Các thông số của khối lò thu hồi nhiệtKhối Lò thu hồi nhiệt: Khối Lò thu hồi nhiệt:
- Lò thu hồi nhiệt được thiết kế để thu hồi nhiệt từ khói thoát Gas Turbine. - Áp suất thiết kế lớn nhất cho phép
+ HP Steam : 168 kg/cm2g ( 164,75 bar) + IP Steam : 54 kg/cm2g ( 52,95 bar) + LP Steam : 12 kg/cm2g ( 11,76 bar) - Áp suất thiết kế vận hành:
+ HP Steam ( at SH outlet) : 153,2 kg/cm2g (150,2 bar) + IP Steam ( at RH outlet) : 45,0 kg/cm2g ( 44,1 bar) + LP steam ( at SH outlet) : 9,0 kg/ cm2g ( 8,8 bar) - Nhiệt độ hơi thiết kế
+ HP Steam ( at SH outlet) : 540 0C + IP Steam ( at RH outlet) : 539 0C + LP steam ( at SH outlet) : 282 0C - Nhiệt độ nước cấp: + HP at ECO inlet : 116 0C + IP at ECO inlet : 118 0C + LP at ECO inlet : 119 0C + Nhiệt độ môi trường : 32 0C
+ Độ ẩm : 80%
- Khói thoát Gas Turbine đưa vào lò:
+ Lưu lượng : 2.231.500 kg/h
+ Nhiệt độ : 600 °C
+ Áp suất : 33,56 mbar
+ Nhiên liệu : Gas
- Lượng hơi sinh ra theo thiết kế:
+ Cao áp : 275.500 kg/h
+ Trung áp : 44.000 kg/h
+ Tái sấy (RH) : 307.500 kg/h
+ Hạ áp : 37.100 kg/h
- Lượng nước vào bao hơi:
+ cao áo: 255 t/h + trung áo: 47,5 t/h
+ hạ áp: 41,1 t/h
- Điều khiển nhiệt độ hơi cao/trung áp bằng cách phun nước vào các bộ desuperheater cao áp, trung áp, phần hạ áp không có bộ điều chỉnh nhiệt độ.
Các hệ thống thiết bị phụ:
- Hệ thống hâm nước (Pre-Heater). - Bình khử khí (Deaerator).
- Bộ tiết kiệm nhiệt (Economizer). - Bao hơi (Drum).
- Bộ sinh hơi (Evaporator).
- Hệ thống hơi quá nhiệt cao áp (HP superheater). - Hệ thống hơi quá nhiệt trung áp (IP superheater). - Hệ thống hơi quá nhiệt hạ áp (LP superheater). - Bơm tuần hoàn (Boiler Circulation Pump). - Bơm nước cấp lò (Boiler Feed Water pump). - Hệ thống nước khử khoáng.
Nhiên liệu Gas Gas Dầu Dầu
L ò th u h ồi n h iệ t Nhiệt độ khí ra 0C 103.3 101.7 136.5 135.1 Nhiệt độ nước ngưng 0C 39.9 39.9 39.9 39.9 Nhiệt độ nước cấp 0C 119.2 116.0 79.6 79.6 Lưu lượng nước tái tuần
hoàn Pre – heater Kg/h 362400 403200 368700 437900 Lưu lượng nước đi tắt
qua Pre-heater Kg/h - - 189900 190700
5.2. Tính thiết kế các bộ trao đổi nhiệt của lò hơi thu hồi nhiệt5.2.1. Tính bộ quá nhiệt cao áp 2 5.2.1. Tính bộ quá nhiệt cao áp 2
Bộ quá nhiệt cao áp 2 có vai trò sinh hơi quá nhiệt với thông số cho yêu cầu đầu vào của tuabin hơi cao áp, bộ quá nhiệt cao áp 2 với đầu vào là hơi quá nhiệt ra khỏi bộ quá nhiệt cao áp 1, đầu ra là hơi quá nhiệt với thông số theo yêu câu cua tuabin hơi cao áp. Sơ đồ