Thiết kế nồi hơi là quá trình tạo ra các loại lò hơi phục vụ nhiều mục đích khác nhau. Chức năng chính của lò hơi là làm nóng nước để tạo hơi nước. Hơi nước sinh ra có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng như sưởi ấm không gian, khử trùng, sấy khô, tạo ẩm và phát điện. Nhiệt độ hoặc điều kiện của hơi nước phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể, từ đó phương pháp thiết kế lò hơi cũng thay đổi tương ứng.
1.Thu thập dữ liệu thiết kế lò hơi đầu vào
Việc thiết kế nồi hơi bắt đầu từ quá trình xác định rõ các yêu cầu kỹ thuật cụ thể. Các thông số cơ bản như công suất hơi tối đa, áp suất và nhiệt độ hơi, dải tải cũng như loại nhiên liệu đều đóng vai trò quyết định trong việc lựa chọn thiết bị phù hợp với nhu cầu thực tế.
1.1. Công suất hơi tối đa (MCR – Maximum Continuous Rating)
Công suất hơi tối đa được tính dựa trên nhu cầu tiêu thụ hơi thực tế từ các thiết bị sử dụng hơi như máy móc, hệ thống sưởi, hoặc khử trùng, đồng thời bổ sung một phần dự trữ công suất để đáp ứng các tình huống tải tăng đột ngột hoặc nhu cầu mở rộng trong tương lai. Chẳng hạn, nếu hệ thống cần 5 tấn hơi/giờ để vận hành, công suất thiết kế sẽ thêm khoảng 20% dự phòng, nâng tổng mức yêu cầu lên 6 tấn/giờ. Đây là yếu tố quan trọng để đảm bảo lò hơi vận hành ổn định và hiệu quả trong mọi tình huống.
1.2. Áp suất hơi
Yêu cầu về áp suất hơi phụ thuộc trực tiếp vào loại ứng dụng mà lò hơi phục vụ. Hệ thống áp suất thấp, từ 0.5 đến 10 bar, thường được sử dụng cho sưởi ấm hoặc quy trình thực phẩm, trong khi áp suất trung bình (10 – 30 bar) phục vụ các ứng dụng công nghiệp như sản xuất hóa chất hay giấy. Với những ứng dụng đòi hỏi áp suất cao trên 30 bar, lò hơi cần thiết kế đặc biệt để đáp ứng các hệ thống phát điện hoặc tải trọng lớn.
Chẳng hạn, nếu thiết bị đầu cuối yêu cầu áp suất làm việc là 8 bar và tổn thất áp suất trong đường ống là 1.5 bar, áp suất thiết kế tối thiểu cần đạt 9.5 bar để đảm bảo hiệu suất vận hành.
1.3. Nhiệt độ hơi
Lựa chọn nhiệt độ hơi phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể của lò hơi. Hơi bão hòa là lựa chọn phổ biến cho các quy trình không yêu cầu nhiệt độ quá cao, trong khi hơi quá nhiệt thường được sử dụng cho tua-bin, máy nén hơi hoặc các hệ thống công nghiệp đòi hỏi nhiệt độ lớn hơn. Nhiệt độ hơi quá nhiệt được xác định bằng cách thêm mức độ quá nhiệt, thường từ 50-100°C, vào nhiệt độ hơi bão hòa để đảm bảo đủ hiệu suất và an toàn trong quá trình sử dụng.
1.4. Dải tải (Boiler Turndown)
Dải tải của lò hơi thể hiện khả năng vận hành ở nhiều mức công suất khác nhau mà không làm giảm hiệu suất tổng thể. Đối với các ứng dụng có tải biến đổi thường xuyên, như sản xuất theo chu kỳ, dải tải lớn (ví dụ 4:1 hoặc 10:1) giúp tiết kiệm nhiên liệu và nâng cao hiệu quả hoạt động. Nếu nhu cầu hơi thay đổi từ 1.5 tấn/giờ đến 6 tấn/giờ trong ngày, một lò hơi với dải tải ít nhất 4:1 là lựa chọn lý tưởng.
1.5. Loại nhiên liệu sử dụng
Loại nhiên liệu quyết định không chỉ thiết kế của lò hơi mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí vận hành và tác động môi trường. Than thường được sử dụng cho các hệ thống công suất lớn nhờ chi phí thấp nhưng đòi hỏi công nghệ xử lý khí thải tiên tiến. Dầu và khí đốt lại dễ vận hành, sạch hơn nhưng giá thành cao hơn. Ngoài ra, sinh khối là lựa chọn thân thiện với môi trường, đặc biệt phù hợp cho các ngành sử dụng nhiều nguyên liệu thừa từ sản xuất nông nghiệp.
Quyết định sử dụng loại nhiên liệu nào phụ thuộc vào khả năng cung cấp tại địa phương, chi phí đầu tư và hiệu quả kinh tế dài hạn.
2. Tính toán công suất nhiệt trong thiết kế nồi hơi
Việc tính toán công suất nhiệt là bước quan trọng trong thiết kế nồi hơi, đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định và đáp ứng đúng nhu cầu sử dụng. Phép tính này gồm hai phần chính: công suất nhiệt của lò (heat duty) và công suất nhiệt của đầu đốt (burner heat duty).
2.1. Công suất nhiệt của lò (Heat Duty)
Công suất nhiệt của lò được xác định bằng cách tính lượng nhiệt cần thiết để tạo ra hơi nước đáp ứng yêu cầu sử dụng. Các bước tính toán gồm:
- Xác định nhiệt enthalpy của hơi nước: Dựa trên áp suất và nhiệt độ hơi yêu cầu, tra bảng hơi nước bão hòa hoặc hơi quá nhiệt để lấy giá trị enthalpy (kJ/kg).
- Tính tổng nhiệt lượng sinh ra: Tổng nhiệt cần cung cấp = nhiệt enthalpy của hơi (kJ/kg) × lưu lượng hơi yêu cầu (kg/h). Giá trị này thường được biểu diễn dưới dạng MKCal/h, MW, hoặc HP.
Ví dụ: Đối với nồi hơi thiết kế tạo ra 6 tấn hơi/giờ ở 10 bar và 184°C, nhiệt enthalpy là 2784 kJ/kg. Công suất nhiệt của lò = 2784 × 6000 = 16,704,000 kJ/h (tương đương khoảng 4.64 MW).
2.2. Công suất nhiệt của đầu đốt (Burner Heat Duty)
Công suất nhiệt của đầu đốt phụ thuộc vào hiệu suất lò và loại nhiên liệu sử dụng. Công suất nhiệt đầu đốt được tính theo công thức:
- Tính toán nhiên liệu tiêu thụ: Dựa trên giá trị nhiệt cháy thấp (NCV) của nhiên liệu (kJ/kg hoặc kJ/m³), lượng nhiên liệu cần thiết được tính bằng cách chia công suất nhiệt đầu đốt cho NCV.
- Ví dụ: Với công suất nhiệt lò 16,704,000 kJ/h và hiệu suất lò 85%, công suất nhiệt đầu đốt là 16,704,000 ÷ 0.85 ≈ 19,652,941 kJ/h. Nếu sử dụng dầu FO với NCV = 40,000 kJ/kg, lượng dầu tiêu thụ là 19,652,941 ÷ 40,000 ≈ 491 kg/h.
3. Thiết kế buồng đốt trong thiết kế nồi hơi
Thiết kế buồng đốt đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của nồi hơi, đặc biệt là khả năng truyền nhiệt và hiệu quả đốt cháy nhiên liệu. Quá trình thiết kế này bao gồm việc lựa chọn đầu đốt phù hợp, xác định hình dạng buồng đốt và tính toán thể tích của nó để đảm bảo quá trình đốt cháy diễn ra hiệu quả và an toàn.
3.1. Chọn đầu đốt và thiết kế hình dạng buồng đốt
Lựa chọn đầu đốt phù hợp với lượng nhiên liệu đã tính toán trước đó là bước đầu tiên trong thiết kế buồng đốt. Đầu đốt phải phù hợp với loại nhiên liệu (như khí, dầu, than) và công suất nhiệt của nồi hơi. Đầu đốt phải đảm bảo tạo ra một ngọn lửa ổn định, phân bổ đều trong buồng đốt, tránh tình trạng lửa bị dồn về một phía, gây hao hụt năng lượng hoặc ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của nồi hơi.
Sau khi xác định đầu đốt, thiết kế hình dạng của buồng đốt tiếp theo phải đảm bảo tối ưu hóa không gian cho quá trình cháy. Hình dạng tường phía trước buồng đốt (front wall) sẽ được xác định dựa trên kích thước của đầu đốt và yêu cầu về độ dài, kích thước của ngọn lửa. Cấu trúc tường phải đảm bảo có đủ không gian cho việc phân bố nhiên liệu và không khí sao cho ngọn lửa có thể cháy hết và hoàn toàn.
3.2. Tính toán thể tích buồng đốt
Một yếu tố quan trọng khác trong thiết kế buồng đốt nồi hơi là tính toán thể tích cần thiết để chứa đủ lượng nhiên liệu và không khí trong suốt quá trình cháy. Công thức tính thể tích buồng đốt dựa vào chỉ số tỷ lệ phát nhiệt thể tích (VHRR), giúp xác định thể tích cần thiết để cung cấp đủ không gian cho quá trình cháy và tối ưu hóa việc trao đổi nhiệt. Tỷ lệ phát nhiệt thể tích là yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn kích thước của buồng đốt, đảm bảo rằng không khí và nhiên liệu được cung cấp đủ và quá trình cháy diễn ra hiệu quả.
Công thức tính thể tích buồng đốt thường bao gồm các yếu tố như công suất của lò, nhiệt lượng phát ra từ nhiên liệu, và tỷ lệ lưu lượng không khí/nhiên liệu. Việc tính toán chính xác thể tích buồng đốt không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất cháy mà còn đảm bảo an toàn, tránh hiện tượng quá nhiệt hoặc cháy không hoàn toàn.
4. Tính nhiệt độ khí thoát buồng đốt (FEGT)
Nhiệt độ khí thoát buồng đốt (Furnace Exit Gas Temperature – FEGT) là nhiệt độ của khí thải khi chúng rời khỏi buồng đốt và đi vào các phần tiếp theo của nồi hơi. FEGT có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của các bộ trao đổi nhiệt tiếp theo, đặc biệt là bộ quá nhiệt (superheater). FEGT càng cao, khả năng truyền nhiệt cho bộ quá nhiệt càng lớn, giúp tăng hiệu suất sinh hơi của nồi hơi. Tuy nhiên, nếu FEGT quá cao, sẽ gây ra sự hao phí nhiệt không cần thiết, đồng thời có thể làm giảm tuổi thọ của các bộ phận nồi hơi do quá trình ăn mòn và oxi hóa.
Để tính toán FEGT khi thiết kế nồi hơi, cần phải xem xét một số yếu tố như lượng nhiên liệu tiêu thụ, hiệu quả đốt cháy trong buồng đốt, và các đặc điểm của khí thải như lưu lượng và nhiệt độ. FEGT cũng phụ thuộc vào các yêu cầu về nhiệt độ hơi cần sinh ra. Nếu nhiệt độ hơi cần cao, FEGT sẽ phải được kiểm soát sao cho khí thoát đủ nhiệt để làm nóng hơi tới nhiệt độ yêu cầu mà không gây lãng phí nhiệt.
5. Tính diện tích bức xạ hiệu quả (EPRS)
Diện tích bức xạ hiệu quả (Effective Projected Radiant Surface – EPRS) là diện tích bề mặt trong buồng đốt nơi nhiệt từ khí thải được hấp thụ trực tiếp bởi các ống trong hệ thống trao đổi nhiệt. EPRS bao gồm diện tích của các ống bức xạ và các dải màng/tấm chắn được thiết kế để hấp thụ nhiệt từ khí thải nóng. EPRS có ảnh hưởng đến khả năng truyền nhiệt từ khí thải vào nước hoặc hơi trong nồi hơi, vì vậy diện tích này cần được thiết kế sao cho đảm bảo khả năng hấp thụ nhiệt tối ưu mà không làm giảm hiệu quả của quá trình đốt cháy.
Để tính toán EPRS, cần xác định các yếu tố như nhiệt độ khí thải (FEGT), khả năng hấp thụ nhiệt của các ống bức xạ, và tỷ lệ truyền nhiệt giữa khí thải và các bề mặt này. Diện tích bức xạ hiệu quả càng lớn, khả năng hấp thụ nhiệt càng cao, giúp tăng hiệu suất của nồi hơi. Tuy nhiên, diện tích này cần được cân nhắc kỹ càng để tránh gây quá tải cho hệ thống và ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt trong nồi hơi.
6. Tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (Heat Transfer Surface Area) là diện tích các bộ phận của nồi hơi, chẳng hạn như các ống trong bộ sinh hơi (convection bank), nơi nhiệt được chuyển từ khí thải vào nước hoặc hơi. Diện tích này cần phải đủ lớn để đảm bảo rằng lượng nhiệt cần thiết cho việc sinh hơi được truyền hiệu quả từ khí thải vào hệ thống. Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt được tính toán dựa vào nhiệt độ khí thải (FEGT), nhiệt lượng cần thiết để sinh hơi, và các yếu tố liên quan đến khả năng truyền nhiệt của các bề mặt trong nồi hơi.
Quá trình tính toán diện tích này bao gồm việc xác định mức độ trao đổi nhiệt cần thiết dựa trên các yêu cầu về công suất hơi và nhiệt độ hơi. Khi FEGT và lượng nhiệt cần cho quá trình sinh hơi đã được xác định, ta có thể tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết. Cần đảm bảo diện tích này đủ lớn để duy trì hiệu quả trao đổi nhiệt mà không làm giảm hiệu suất của nồi hơi.
7. Lựa chọn kích thước balong hơi (Steam Drum)
Balong hơi là một bộ phận quan trọng trong hệ thống nồi hơi, có nhiệm vụ tách hơi nước và duy trì sự ổn định trong quá trình sinh hơi. Kích thước của balong hơi cần được tính toán kỹ lưỡng dựa trên các yếu tố như công suất hơi, tỷ lệ tuần hoàn, dao động tải và các yêu cầu về tách hơi-nước. Sau đây là phân tích chi tiết về các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn kích thước balong hơi trong thiết kế nồi hơi.
7.1. Công suất hơi tại MCR (Maximum Continuous Rating)
Công suất hơi tại MCR là yếu tố đầu tiên cần xem xét khi lựa chọn kích thước balong hơi. MCR xác định lượng hơi tối đa mà nồi hơi có thể sinh ra trong một giờ mà không làm giảm hiệu suất hay gây hư hại cho hệ thống. Công suất hơi này phụ thuộc vào kích thước balong hơi, vì balong hơi phải đủ lớn để chứa và tách đủ lượng hơi nước trong suốt quá trình hoạt động. Để tính toán kích thước balong hơi, công suất hơi yêu cầu sẽ được chia cho các yếu tố khác như lưu lượng và nhiệt độ của hơi.
7.2. Tỷ lệ tuần hoàn (Circulation Ratio)
Tỷ lệ tuần hoàn (circulation ratio) là tỷ lệ giữa lượng nước tuần hoàn trong hệ thống và lượng hơi sinh ra. Tỷ lệ tuần hoàn ảnh hưởng trực tiếp đến sự ổn định và hiệu quả của quá trình truyền nhiệt trong nồi hơi. Một tỷ lệ tuần hoàn quá thấp có thể dẫn đến tình trạng quá nhiệt hoặc tách hơi không hoàn hảo, trong khi tỷ lệ tuần hoàn quá cao có thể làm giảm hiệu suất sinh hơi.
Khi thiết kế balong hơi, tỷ lệ tuần hoàn phải được tính toán sao cho lượng nước trong hệ thống đủ để hấp thụ nhiệt mà không làm quá tải balong hơi. Điều này giúp đảm bảo hơi nước được tách ra hoàn hảo và duy trì chất lượng hơi ổn định.
7.3. Dao động tải (Load Fluctuations)
Dao động tải là sự thay đổi về nhu cầu hơi trong suốt quá trình hoạt động của nồi hơi. Nồi hơi cần phải đáp ứng các thay đổi này mà không làm giảm chất lượng hơi hay ảnh hưởng đến hiệu suất. Balong hơi cần được thiết kế sao cho có khả năng chứa đủ nước để đáp ứng các dao động tải mà không gây ra tình trạng thiếu hụt hoặc quá tải.
Một hệ thống nồi hơi với balong hơi quá nhỏ có thể gặp khó khăn trong việc điều chỉnh tải khi nhu cầu hơi thay đổi nhanh chóng. Ngược lại, balong hơi quá lớn có thể gây lãng phí năng lượng và tăng chi phí đầu tư.
7.4. Thiết bị tách hơi-nước (Steam-Water Separation Equipment)
Thiết bị tách hơi-nước trong balong hơi có vai trò quan trọng trong việc tách hơi và nước ra khỏi nhau, đảm bảo hơi đầu ra có chất lượng tốt nhất. Để tối ưu hóa khả năng tách hơi-nước, balong hơi cần phải được trang bị các thiết bị như ống tách hơi, ống quay, và các bộ phận làm sạch nước. Các thiết bị này giúp loại bỏ tạp chất và hơi nước lẫn trong quá trình sinh hơi.
Việc thiết kế balong hơi cần đảm bảo đủ không gian và bố trí hợp lý các bộ phận tách, sao cho quá trình phân tách hơi và nước diễn ra hiệu quả. Điều này không chỉ nâng cao chất lượng hơi mà còn bảo vệ các thiết bị phía sau như bộ quá nhiệt và tuabin khỏi các tác động xấu của nước hoặc tạp chất.
8. Tính toán diện tích bộ tiết kiệm nhiên liệu
Bộ tiết kiệm nhiên liệu (economizer) trong nồi hơi đóng vai trò quan trọng trong việc thu hồi nhiệt từ khí thải, giảm tổn thất nhiệt và cải thiện hiệu quả hoạt động của nồi hơi. Để tính toán diện tích của bộ tiết kiệm nhiên liệu, cần xem xét một số yếu tố cơ bản, bao gồm nhiệt độ khí thải, hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu và nhiệt độ khí thải tối thiểu để tránh ăn mòn điểm sương.
Khi tính diện tích bộ tiết kiệm, cần phải tính toán nhiệt độ khí thải vào/ra. Nhiệt độ khí thải vào được xác định bởi nhiệt độ của sản phẩm cháy, trong khi nhiệt độ khí thải ra phụ thuộc vào hiệu suất trao đổi nhiệt của bộ tiết kiệm. Để tránh hiện tượng ăn mòn do điểm sương (dew point corrosion), nhiệt độ khí thải ra phải được duy trì trên nhiệt độ điểm sương, là nhiệt độ mà hơi nước trong khí thải ngưng tụ, gây ăn mòn các bề mặt kim loại.
Theo quy định của TCVN về lắp đặt nồi hơi và ASME Section I, các tiêu chuẩn này yêu cầu kiểm soát nghiêm ngặt nhiệt độ khí thải và chất lượng khí để tránh các vấn đề ăn mòn và tăng cường hiệu suất của bộ tiết kiệm.
9. Tính công suất quạt
Quạt hút (ID fan) và quạt cấp (FD fan) là hai thành phần quan trọng trong hệ thống nồi hơi, có nhiệm vụ điều hòa không khí trong quá trình đốt nhiên liệu và thoát khí thải. Để tính công suất của các quạt này, ta cần dựa vào lưu lượng không khí và áp suất khí thải.
Quạt cấp khí (FD fan) phải cung cấp đủ lượng không khí để duy trì quá trình đốt, trong khi quạt hút (ID fan) có nhiệm vụ hút khí thải ra khỏi hệ thống. Công suất của quạt hút và quạt cấp phụ thuộc vào lưu lượng không khí cần thiết cho quá trình cháy và khả năng duy trì áp suất trong hệ thống.
Công suất quạt có thể được tính theo công thức:
P = (Q⋅ΔP) /
10. Xác định chiều cao ống khói khi thiết kế nồi hơi
Chiều cao ống khói trong hệ thống nồi hơi không chỉ phụ thuộc vào thiết kế của ống khói mà còn được xác định bởi các yếu tố khí thải, đặc biệt là lượng khí SO2 (sulfur dioxide) thải ra từ quá trình đốt nhiên liệu. Lượng SO2 thải ra sẽ ảnh hưởng đến độ cao của ống khói để đảm bảo việc phân tán khí thải một cách hiệu quả và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Chiều cao ống khói cần được tính toán sao cho khí thải được phân tán xa khỏi khu vực sản xuất và các khu dân cư. Để làm điều này, chiều cao ống khói thường được tính theo công thức dựa trên lưu lượng khí thải và các yếu tố khí tượng. Quy định này được nêu trong TCVN 5949:2010 và ASME Section 1, trong đó yêu cầu chiều cao ống khói phải đáp ứng được các tiêu chuẩn bảo vệ môi trường và đảm bảo tính an toàn cho hệ thống.
11. Tính toán và lắp đặt phụ kiện
Việc lắp đặt phụ kiện trong nồi hơi như van an toàn, đồng hồ đo mức nước, và các phụ kiện khác cần phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định an toàn. Các van an toàn phải được thiết kế để đảm bảo nồi hơi không bị quá áp trong quá trình vận hành, và đồng hồ đo mức nước cần phải được lắp đặt để giám sát chính xác mức nước trong nồi hơi, tránh hiện tượng thiếu nước có thể gây nguy hiểm.
Ngoài ra, khi lắp đặt phụ kiện, cần phải tính toán giãn nở nhiệt của các bộ phận, vì khi nồi hơi hoạt động, nhiệt độ và áp suất thay đổi sẽ gây giãn nở của vật liệu. Việc này phải được tính toán để đảm bảo các phụ kiện không bị hư hỏng trong suốt quá trình vận hành.
12. Phân tích ứng suất
Phân tích ứng suất là một phần quan trọng trong thiết kế nồi hơi để đảm bảo độ bền và tính an toàn của các bộ phận chịu áp suất như vỏ nồi hơi, các bộ phận chịu nhiệt và các kết cấu chịu lực. Ứng suất có thể phát sinh từ các yếu tố như sự thay đổi nhiệt độ nhanh, áp suất tăng hoặc giảm đột ngột, và sự va đập cơ học.
Để tính toán ứng suất, cần sử dụng các phương pháp phân tích cơ học và công thức cụ thể để tính toán lực tác động lên từng bộ phận. Các quy định về ứng suất trong thiết kế nồi hơi được nêu trong ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC), đặc biệt là trong phần Section VIII về thiết kế các thiết bị chịu áp lực. Điều này giúp đảm bảo rằng các bộ phận sẽ không bị hư hỏng do ứng suất quá cao trong quá trình vận hành.
13. Phát triển hệ thống bảo vệ và điều khiển
Hệ thống bảo vệ và điều khiển trong nồi hơi đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn cho quá trình vận hành. Các hệ thống bảo vệ này bao gồm các thiết bị như bộ điều khiển nhiệt độ, áp suất, mức nước, và hệ thống phát hiện sự cố. Các tiêu chuẩn như NFPA-85 yêu cầu phải có một hệ thống quản lý đốt (BMS) để giám sát và điều khiển quá trình đốt nhiên liệu, bảo vệ nồi hơi khỏi các sự cố không mong muốn.
Ngoài ra, hệ thống điều khiển DCS (Distributed Control System) phải được tiêu chuẩn hóa để đồng bộ với các thiết bị khác trong hệ thống, đảm bảo việc vận hành an toàn và hiệu quả.