4.2. Đề xuất lắp đặt hệ thống phát điện tận dụng nhiệt thừa
4.2.3. Các thiết bị chính của hệ thống phát điện
Nồi hơi
Nồi hơi là thiết bị trao đổi nhiệt tạo ra hơi nước. Năng lượng hóa học được bốc hơi thông qua nhiên liệu than, chấu và các chất thải công nghiệp như da, thuốc trừ sâu, xà phòng,…cung cấp năng lượng nhiệt cần thiết trong việc nghiền clinker. Sau đó năng lượng được chuyển sang nước thông qua quá trình truyền nhiệt, để chuyển đổi nước thành hơi nước, hơi nước được chuyển đổi thành năng lượng điện từ máy phát điện
tuốc bin hơi nước. Vì vậy, nhiệm vụ chính của nồi hơi là để chuyển đổi năng lượng hóa học trong nhiên liệu thành năng lượng nhiệt của hơi nước. Do đó, nồi hơi còn được gọi là máy phát điện hơi nước.
Chức năng của nồi hơi nhiệt thải là sử dụng khí thải phát hành từ lị nung xi măng để sản xuất hơi quá nhiệt với nhiệt độ và áp suất quy định.
Bên ngoài nồi hơi và các ống dẫn khí đều được bọc lớp cách nhiệt bằng bơng thuỷ tinh và một lớp tôn bên ngồi để giữ bơng thuỷ tinh lại. Bông thuỷ tinh gồm những sợi thuỷ tinh do nấu chảy đá khống, xỉ hay thuỷ tinh, có thể sử dụng được đến 600oC.
Hệ thống phát điện sử dụng hai nồi hơi, bao gồm nồi hơi AQC, là nồi hơi lấy nhiệt từ nhiệt thải của bộ làm mát clinker và nồi hơi SP, là nồi hơi chính, nồi hơi lấy nhiệt thải từ lò nung clinker.
Nồi hơi AQC Nguyên lý làm việc
Nồi hơi AQC là một thiết bị quan trọng được áp dụng chủ yếu để phát điện thông qua phục hồi nhiệt thải từ khu vực làm mát clinker.
Nồi hơi nhiệt thải này được áp dụng cho dây chuyền sản xuất xi măng, và đóng một vai trị quan trọng trong việc phục hồi lượng nhiệt thừa để phát điện. Nồi hơi này có đặc trưng là tiết kiệm năng lượng, ít tốn kém, thân thiện với môi trường và xây dựng nhỏ gọn.
Nồi hơi được đặt theo chiều dọc với đặc trưng là lưu thông tự nhiên. Nước cấp vào với tốc độ là 38.3 t/h được đưa vào tầng đun sơi. Nước bị nung nóng trong lị sưởi lên đến 179oC, sau đó đi ra khỏi tầng đun sơi và đi vào bao hơi. Nước từ bao hơi chảy vào tầng bay hơi với tốc độ 12.1 t/h, nước được đun lên 350oC khi đó hỗn hợp hơi nước và nước sau đó trở lại vào bao hơi, hơi nước bão hịa được tách ra từ hỗn hợp, đi đến bộ quá nhiệt. Hơi nước nóng lên trong bộ quá nhiệt, hơi nước bão hòa trở thành hơi nước quá nhiệt dưới áp suất cao và được đẩy về tuốc bin.
Các đặc tính kỹ thuật của lị hơi
Nhiệt độ ở đầu vào khí thải của nồi hơi là 370oC. Nhiệt độ khí thải sẽ giảm xuống đến 100oC sau khi khí qua các tầng hơi quá nhiệt, tầng hơi bão hoà và tầng đun sơi. Khí trước khi vào nồi hơi chúng được đi vào bộ lọc bụi gió xốy được lắp đặt trên bộ làm mát clinker.
Để nâng cao hiệu quả nhiệt của nồi hơi cũng như để đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định của nồi hơi. Ta xem xét các hoạt động thực tế của nồi hơi và các thuộc tính cấu trúc, thơng qua các giải pháp hiệu quả trong thiết kế: ống tròn áp dụng cho các chức năng trao đổi nhiệt của thiết bị tạo hơi bão hồ, hơi q nhiệt và đun sơi nước. Kết quả, khí thải được tận dụng hiệu quả hơn, dịng chảy được hình thành và trao đổi nhiệt tăng cường. Hơn nữa, sự hao mòn của ống giảm đáng kể và chu kỳ bảo dưỡng được thực hiện ít hơn.
Tất cả các bề mặt gia nhiệt được bố trí tách rời. Khoảng cách hợp lý của các dãy ống được đảm bảo về tính tốn chính xác để giữ vận tốc khí đầy đủ và đạt được hiệu quả trao đổi nhiệt theo yêu cầu. Các thông số thiết kế của nồi hơi AQC được trình bài ở bảng 4.15.
Bảng 4.15: Thông số thiết kế của nồi hơi AQC
Stt Tên Đơn vị Thông số
Đặc điểm hơi nước
1 Tốc độ hơi nước ra t/h 12.1
2 Áp suất hơi nước MPa 1.5
3 Áp suất làm việc cao nhất MPa 1.8
4 Nhiệt độ hơi nước oC 350
5 Nhiệt độ nước cấp vào (từ lò nung) oC 250
6 Tỉ lệ xả đáy bao hơi % 3
7 Áp suất đường ống chịu được MPa 2.97
Đặc điểm nước nóng
1 Tốc độ nước ra t/h 38.3
2 Áp suất nước ra MPa 2.6
3 Nhiệt độ nước ra oC 179
4 Nhiệt độ nước cấp vào oC 42
5 Áp suất đường ống chịu được MPa 3
Nồi hơi và các ống hơi được bao bọc bởi vỏ nhẹ, làm bằng các tấm sợi alumino silicate vật liệu chịu lửa. Bên ngồi được bọc một lớp dày bơng thuỷ tinh để cách nhiệt với mơi trường ngồi.
Đặc tính nhiệt thải
Mật độ bụi trong nhiệt thải mang theo khá lớn nên ta cần lọc bụi trước khi đưa vào nồi hơi. Tại nồi hơi AQC được sử dụng hệ thống lọc bụi quán tính nên lượng bụi đã được lọc đáng kể trước khi đưa vào nồi hơi.
Đường ống nhiệt thải đi vào có đường kính 3.4 m, đặt ở độ cao 16490 mm. Đường ống nhiệt thải đi ra có đường kính 2600 mm và đặt ở độ cao 4000 mm. Đặc tính nhiệt thải của nồi hơi AQC được trình bài trong bảng 4.16.
Bảng 4.16: Bảng đặc tính nhiệt thải của nồi hơi AQC
Stt Tên Đơn vị Thông số
1 Lưu lượng khí vào Nm3/h 169000
2 Nhiệt độ khí vào oC 366
3 Nhiệt độ khí ra oC 117
4 Mật độ khói bụi vào g/Nm3 31,2
Nồi hơi SP
Nguyên lý làm việc
Nồi hơi nhiệt thải SP là chính thiết bị chủ yếu để sản xuất điện bằng cách thu hồi nhiệt khí thải từ lị nung xi măng. Nồi hơi này được lắp đặt giữa ống khí ra của tháp trao đổi nhiệt ở cuối lị nung xi măng và đầu vào của các ống dẫn khí thải nhiệt độ cao ở cuối lị. Nhiệt độ ở đầu vào khí thải của nồi hơi là 365oC. Nhiệt độ khí thải giảm xuống khoảng 215oC sau khi khí thải qua các thiết bị bay hơi. Sau đó khí được đi qua bộ lọc bụi và bụi được thu lại ở cuối lò.
Nồi hơi được thiết kế để có khí thải lưu thơng tự nhiên và thẳng đứng. Nước cấp vào và đun nóng bởi nồi hơi AQC ở tầng đun sôi của nồi hơi, và sau đó nước được bơm vào tầng gia nhiệt của nồi hơi SP, sau đó hơi nóng được đẩy lên bao hơi. Từ đây nước được đưa đến tầng hơi bão hồ, hỗn hợp nước nóng và hơi nước được bơm trở lại bao hơi. Hơi nước bão hòa từ bao hơi sẽ đi đến bộ quá nhiệt, hơi quá nhiệt sau đó được sinh ra dưới áp lực cao đẩy về tuốc bin.
Đặc tính kỹ thuật
Đường kính của bao hơi là Φ1800 và chiều dài là 5200 mm, được làm từ thép Q245R. Các thiết bị chính bên trong bao hơi bao gồm thiết bị cấp nước, thiết bị đo lường và thiết bị xả đáy. Độ cao đặt bao hơi là 34510 mm (tính đến tâm bao hơi).
Các ống đầu ống vào và đầu ống ra của bộ đun nước có kích thước Φ219×10, được làm từ thép 20/GB3087. Các ống của bộ đun nước có kích thước Φ38×3.5 được xếp thành hàng và chúng được bó thành nhóm. Mỗi nhóm được hàn với các ống đầu vào và đầu ra.
Bảng 4.17: Thông số hơi quá nhiệt của nồi hơi SP
Stt Tên Đơn vị Thông số
1 Tốc độ hơi nước ra t/h 25.2
2 Áp suất hơi nước MPa 1.6
3 Áp suất làm việc cao nhất MPa 1.8
4 Nhiệt độ hơi nước oC 330
5 Nhiệt độ nước cấp vào oC 190
Đặc tính nhiệt thải
Đường ống vào của nhiệt thải có đường kính 3000 mm, đặt ở độ cao 35820 mm. Đường ống ra của nhiệt thải có đường kính 3000 mm, đặt ở độ cao 7000 mm. Nhiệt độ khí thải là tương đối thấp (355oC). Và hàm lượng bụi là rất cao (100 g/Nm3 ). Do đó, sự đó xỉ trong q trình hoạt động của nồi hơi sẽ rất nghiêm trọng. Để ngăn chặn sự đóng xỉ này, thiết bị búa đập cơ khí được lắp đặt để loại bỏ bụi. Các dàn ống được đặt trên các thanh đỡ, búa đập vào các thanh đỡ này và làm rung cả dàn ống, bụi sẽ rơi xuống khi dàn ống bị rung.
Bảng 4.18: Thông số thiết kế nhiệt thải SP
Stt Tên Đơn vị Thông số
1 Lưu lượng khí vào Nm3/h 266000
2 Áp suất khí vào MPa -7.7
3 Áp suất khí ra MPa -7.9
4 Nhiệt độ khí vào oC 365
5 Nhiệt độ khí ra oC 215
6 Mật độ khói bụi vào g/Nm3 76,8
Tuốc bin
Đặc điểm kỹ thuật của tuốc bin hơi nước
Bảng 4.19: Thông số thiết kế của tuốc bin hơi nước
Tên Đơn vị Giá trị/chi tiết
Mã sản phẩm K1509
Kiểu
Kết nối trực tiếp với bộ ngưng tụ
Công suất MW 6.919
Công suất tối đa MW 8.250
Áp suất hơi nước vào và độ chênh lệch MPa 1.5, +0.2, -0.2 Nhiệt độ hơi nước vào và độ chênh lệch oC 330, +15, -10
Tốc độ hơi vào t/h 36
Tốc độ hơi vào tối đa t/h 43.6
Nhiệt độ của nước làm mát oC 25
Nhiệt độ tối đa của nước làm mát oC 33
Áp suất của hơi nước xả MPa 0.007
Tốc độ quay r/min 3000
Tốc độ thấp nhất r/min 1770
Độ rung mm ≤ 0.03
Độ rung nguy hiểm mm ≤ 0.17
Trọng lượng T 70
Kích thước của tuốc bin (L × W × H) m 4.92 × 4.64 × 2.85
Bảng 4.20: Thơng số kỹ thuật chính của bộ điều chỉnh tuốc bin
Tên Đơn vị Thông số
Tỷ lệ thay đổi tốc độ % 3 ~ 6
Điều chỉnh áp suất dầu MPa ≥ 0.85
Áp suất dầu bôi trơn MPa 0.08 ~ 0.12
Tốc độ dừng khẩn cấp r/min 3270～3390
Thiết lập lại tốc độ khẩn cấp r/min ＜2900
Giá trị cảnh báo bảo vệ sự dịch chuyển trục tuốc bin mm ±1.0 Giá trị bảo vệ sự dịch chuyển của các cánh quạt mm ±1.5
Hình 4.5: Cấu tạo của tuốc bin hơi
Tuốc bin bao gồm có hai phần là rotor và stator. Rotor có cấu tạo khối để điều chỉnh tầng xung cánh đầu tiên, tầng xung cánh cuối cùng chia ra ba chân. Stato bao gồm hình trụ bên ngồi, buồng hơi, nắp đậy, vòng bi và các bộ phận khác. Các thiết bị phân bố hơi được kết nối với động cơ dầu qua van hơi có địn bẩy cơ khí.
Tuốc bin bao gồm một giai đoạn tốc độ chậm và 8 giai đoạn áp lực. Các cánh tuốc bin tăng kích thước theo từng tầng, kích thước nhỏ ở đầu hơi vào và kích thước to ở tầng hơi ra. Tuốc bin được kết nối với máy phát điện bằng khớp nối trực tiếp. Tuốc bin bao gồm vòng bi, bảo vệ vòng quay, bảo vệ sự di chuyển trục, búa ngắt khẩn cấp, các chốt định vị để đảm bảo giãn nở nhiệt của tuốc bin phù hợp với đường trục của tuốc bin.
Nguyên lý hoạt động của tuốc bin
Hơi đi vào một hoặc một số ống phun, khi ra khỏi ống phun áp suất hơi giảm xuống, còn tốc độ tăng lên đáng kể. Hơi có tốc độ cao đi vào rãnh cánh động được gắn trên bánh động, ở đó động năng của dịng hơi sẽ biến thành cơ năng (sinh cơng), cơng dịng hơi sinh ra trên cánh động sẽ làm cho roto tuốc bin quay. Dòng hơi chuyển động trong tuốc bin theo hướng dọc trục của tuốc bin và hơi không chỉ giãn nở trong một
hoặc một số ống phun mà giãn nở trong nhiều dãy cánh đặt kế tiếp nhau dọc theo trục của tuốc bin.
Các thiết bị phụ của tuốc bin
- Hệ thống điều khiển
Tuốc bin thông qua hệ thống điều chỉnh, trong đó bao gồm thiết bị đo tốc độ vòng quay, bộ điều khiển Woodward 505, dầu động cơ, van điều chỉnh hơi nước và địn bẩy hồi tiếp. Q trình điều chỉnh như sau: đầu tiên, tín hiệu thay đổi tốc độ vịng quay tuốc bin được truyền tới bộ điều khiển 505, bộ điều khiển sẽ ra lệnh điều chỉnh áp suất dầu, áp suất dầu thay đổi sẽ di chuyển van dầu làm cho van điều chỉnh hơi vào tuốc bin thay đổi, cuối cùng hơi nước đầu vào sẽ thay đổi thông qua van điều chỉnh tốc độ. Đồng thời, thông tin phản hồi từ thanh kéo van dầu và sự cân bằng mới được hình thành.
Hình 4.6: Bộ 505 điều khiển tuốc bin
Bộ điều khiển 505 chuyển đổi điện thành thủy lực với áp suất dầu cao vào việc điều chỉnh thủy lực thứ cấp của hệ thống kiểm soát tốc độ, điều chỉnh van hơi nước của tuốc bin hơi nước.
Dầu bôi trơn, sau khi làm lạnh và lọc, sau đó nén áp suất dầu bơi trơn lên và cung cấp cho các vịng bi, bơi trơn bánh răng và làm mát.
Hình 4.7: Bộ khởi động tuốc bin
Trang bị với động cơ không đồng bộ ba pha cho việc khởi động tuốc bin. Khi để tuốc bin hoạt động trở lại ta phải dùng một động cơ quay tuốc bin rồi mới xả hơi vào tuốc bin. Cách làm đó để tránh gây tổn hại đến cánh tuốc bin phải chịu lực lớn từ hơi vào. Ngồi ra, động cơ này cịn dùng để quay tuốc bin khi dừng hệ thống phát điện.
Bảng 4.21: Thông số của động cơ khởi động tuốc bin
Tên Thông số Đơn vị Giá trị
Động cơ quay hộp số Loại Y160M-6 Công suất kW 5.5 Điện áp V 380 AC Tốc độ r/min 970 Bộ ngưng tụ
Tuốc bin thuộc kiểu kết nối trực tiếp với bộ ngưng tụ, hơi quá nhiệt sau khi đi qua tuốc bin thì được chảy xuống bộ ngưng tụ. Hơi nước chảy qua các đường ống có chứa nước lạnh, nước lạnh làm mát hơi nóng, hơi nóng ngưng tụ lại thành nước và tiếp tục một quá trình mới.
Bảng 4.22: Thông số kỹ thuật của bộ ngưng tụ
Tên Thông số Đơn vị Giá trị
Bộ ngưng tụ
Kiểu N-1000
Diện tích m2 1000
Áp suất hơi MPa 0.007
Tốc độ hơi t/h 45
Tốc độ dòng nước làm mát t/h 2600
Nhiệt độ nước làm mát oC 25
Áp suất nước làm mát (Max) MPa 0.3
Vật liệu Thép không gỉ
Kích thước mm Ф20x0.7
Khối lượng (khơng có nước) t 23.541
Hơi bảo hoà được làm mát và ngưng tụ lại nhưng vẫn cịn một lượng khí cịn lại khơng được ngưng tụ. Để tránh lượng khí này hồ trộn lại với nước ta cần phải hút ra khỏi bình ngưng.
Bảng 4.23: Thơng số kỹ thuật của hệ thống khử khí cho bộ ngưng tụ
Tên Thông số Đơn vị Giá trị
Máy bơm nước ra khỏi bình ngưng tụ Loại 6N6A Tốc độ m3/h 100 Số thiết bị Bộ 2 Công suất kW 22 Điện áp V 380 AC
Bộ khử khí Loại Áp suất nước vào MPa CS1-20-4 0.43
Tốc độ t/h 120~240
Động cơ bơm nước khử khí
Cơng suất kW 45
Điện áp V 380 AC
Bồn chứa nước Thể tích m3 6
Bảng 4.24: Đặc điểm kỹ thuật của bơm nước và khử khí cho nồi hơi
Tên Thông số Đơn vị Giá trị
Tốc độ m3/h 55～100
Áp suất MPa 0.5
Số thiết bị Bộ 2
Động cơ Công suất kW 75
Điện áp V 380 AC
Bộ khử khí Áp suất làm việc Nhiệt độ làm việc MPa oC -0.088~-0.05 50~80
Áp suất nước vào MPa 0.2
Động cơ bơm nước khử khí
Cơng suất kW 15
Điện áp V 380
Máy phát
Loại máy phát
Sử dụng máy phát QFW – 7.2 – 2 có cánh quạt làm mát với hai cửa gió làm mát vào và ra. Phải đảm bảo nhiệt độ của khơng khí lạnh làm mát máy phát điện không quá 40oC, khơng khí được làm lạnh bởi dàn ống nước, nhiệt độ nước đầu vào làm mát khơng khí là khơng q 33oC.
Máy phát điện cho phép hoạt động liên tục khi bước điện áp lên đến 110% và không dưới 90% điện áp định mức. Độ lệch pha khi có tải khơng q 10%.