Khóa liên động nồi hơi là một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình vận hành nồi hơi. Hệ thống này hoạt động như một cơ chế bảo vệ, ngăn chặn nồi hơi khởi động hoặc tiếp tục hoạt động khi các điều kiện vận hành không đạt yêu cầu. Các khóa liên động giúp kiểm soát các yếu tố như mức nước, áp suất, và sự hoạt động của các thiết bị khác, đảm bảo mọi hệ thống hoạt động theo đúng trình tự và tiêu chuẩn kỹ thuật. Bài viết này sẽ phân tích chi tiết các loại khóa liên động nồi hơi, chức năng và tầm quan trọng của chúng trong việc bảo vệ nồi hơi khỏi các sự cố nguy hiểm.
1. Khóa liên động nồi hơi là gì?
Khóa liên động nồi hơi (boiler interlock) là hệ thống bảo vệ an toàn, giúp ngăn chặn quá trình khởi động hoặc dừng nồi hơi khi các điều kiện vận hành không đạt yêu cầu. Hệ thống này đảm bảo rằng chỉ khi tất cả các thông số quan trọng đều trong giới hạn an toàn, quá trình đốt cháy mới được phép diễn ra.
Lưu ý rằng khóa liên động nồi hơi không phải là một thiết bị cơ khí đơn lẻ mà là một hệ thống kiểm soát tích hợp trong nồi hơi công nghiệp. Nó bao gồm các mạch điện, cảm biến và bộ điều khiển nhằm đảm bảo các thiết bị vận hành theo trình tự an toàn. Khóa liên động giúp ngăn nồi hơi khởi động hoặc tiếp tục hoạt động nếu các điều kiện vận hành không đạt yêu cầu, chẳng hạn như mức nước quá thấp, áp suất vượt quá giới hạn, hoặc hệ thống gió cấp không đủ. Nếu không có khóa liên động, nồi hơi có thể tiếp tục chạy trong điều kiện nguy hiểm, làm tăng nguy cơ sự cố nghiêm trọng như cháy nổ, hỏng hóc thiết bị hoặc lãng phí nhiên liệu.
Trong các hệ thống nồi hơi công nghiệp, khóa liên động đóng vai trò quan trọng trong việc phòng ngừa các sự cố nghiêm trọng như cháy ngược, quá nhiệt, nổ nồi hơi, hư hỏng thiết bị áp lực và giúp đảm bảo hiệu suất vận hành tối ưu.
Các loại nồi hơi phổ biến trong công nghiệp gồm:
- Nồi hơi tầng sôi tuần hoàn (CFBC – Circulating Fluidized Bed Combustion Boiler);
- Nồi hơi tầng sôi không tuần hoàn (AFBC – Atmospheric Fluidized Bed Combustion Boiler);
- Nồi hơi thu hồi nhiệt (WHRB – Waste Heat Recovery Boiler);
- Nồi hơi thu hồi nhiệt từ tua bin khí (HRSG – Heat Recovery Steam Generator);
- Nồi hơi đốt nhiều loại nhiên liệu (Multifuel Gas Fired Boiler);….
Mỗi loại nồi hơi sẽ có hệ thống khóa liên động đặc thù, nhưng vẫn tuân theo một số tiêu chuẩn an toàn chung.
Một số chức năng chính của khóa liên động nồi hơi
- Khóa liên động an toàn: Ngăn nồi hơi khởi động hoặc tiếp tục vận hành nếu phát hiện điều kiện nguy hiểm, như mức nước quá thấp hoặc áp suất vượt ngưỡng cho phép.
- Trình tự vận hành: Đảm bảo các bộ phận hoạt động theo đúng quy trình, chẳng hạn chỉ cấp nhiên liệu sau khi hệ thống đánh lửa hoạt động ổn định.
- Dừng khẩn cấp: Khi xảy ra sự cố nghiêm trọng như áp suất cao, mất ngọn lửa hoặc mực nước quá thấp, hệ thống sẽ tự động dừng để bảo vệ thiết bị.
- Giám sát và cảnh báo: Cảm biến liên tục theo dõi trạng thái vận hành, kích hoạt cảnh báo khi phát hiện thông số bất thường.
- Tuân thủ quy định: Đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn như ASME BPVC, NFPA 85 và ISO 16528 nhằm đảm bảo vận hành an toàn và tránh rủi ro pháp lý.
2. Khóa liên động mực nước nồi hơi
Mực nước trong nồi hơi là một trong những yếu tố quan trọng nhất cần kiểm soát, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất vận hành, độ bền thiết bị và an toàn hệ thống. Quá trình đốt nhiên liệu trong nồi hơi tạo ra hơi nước, và mức nước phải được duy trì trong một phạm vi nhất định để đảm bảo hiệu suất truyền nhiệt ổn định và tránh các sự cố nghiêm trọng như quá nhiệt, cháy vách ống sinh hơi hoặc cuốn hơi ẩm vào đường ống.
2.1. Khóa liên động mức nước thấp (Low Water Level Interlock)
Khi mực nước trong bao hơi giảm xuống dưới giới hạn cho phép, khả năng trao đổi nhiệt giữa nước và bề mặt sinh hơi bị suy giảm, dẫn đến hiện tượng quá nhiệt. Nếu tình trạng này kéo dài, các ống sinh hơi có thể bị cháy, gây biến dạng kim loại hoặc thậm chí là nổ nồi hơi.
Hệ thống điều khiển sẽ tự động:
- Ngắt bộ đốt để ngăn chặn tình trạng bề mặt ống tiếp xúc trực tiếp với nhiệt độ cao mà không có nước làm mát.
- Kích hoạt cảnh báo để thông báo cho vận hành viên thực hiện các bước xử lý kịp thời.
- Nếu hệ thống có bơm cấp nước tự động, khóa liên động có thể kích hoạt chế độ cấp nước khẩn cấp.
2.2. Khóa liên động mức nước cực thấp (Low-Low Water Level Interlock)
Khi mực nước tiếp tục giảm xuống mức nguy hiểm dưới mức tối thiểu an toàn, toàn bộ hệ thống sẽ ngừng vận hành khẩn cấp. Đây là cấp độ bảo vệ cao hơn nhằm bảo vệ kết cấu nồi hơi khỏi hư hỏng nghiêm trọng.
Các biện pháp được thực hiện khi mức nước đạt Lo-Lo:
- Dừng toàn bộ hệ thống đốt ngay lập tức, ngăn chặn rủi ro cháy ống.
- Ngắt bơm cấp nước nếu không đảm bảo đủ áp suất, tránh trường hợp cấp nước đột ngột vào nồi hơi quá nóng, có thể gây sốc nhiệt và nổ ống.
- Phát tín hiệu báo động khẩn cấp để vận hành viên can thiệp và kiểm tra nguyên nhân mất nước.
2.3. Khóa liên động mức nước cao (High Water Level Interlock)
Ngược lại, khi mực nước trong nồi hơi vượt quá giới hạn trên, có thể xảy ra hiện tượng cuốn hơi nước ẩm vào đường hơi, làm giảm chất lượng hơi và ảnh hưởng đến hiệu suất của tuabin hơi hoặc các thiết bị sử dụng hơi khác.
Tác hại của mức nước quá cao:
- Giảm hiệu suất của quá trình trao đổi nhiệt, do nước bão hòa chiếm phần lớn không gian sinh hơi.
- Gây hư hỏng thiết bị sử dụng hơi, đặc biệt là tuabin hơi, nếu hơi nước ẩm không được loại bỏ kịp thời.
- Tăng nguy cơ thủy kích trong hệ thống, có thể gây va đập thủy lực và phá hủy đường ống dẫn hơi.
Khi mức nước đạt Hi-Hi, khóa liên động sẽ thực hiện:
- Kích hoạt hệ thống cảnh báo, để vận hành viên theo dõi và can thiệp điều chỉnh.
- Điều chỉnh hệ thống xả đáy tự động, giúp giảm mức nước xuống mức an toàn.
- Trong một số trường hợp, dừng cấp nước tạm thời để ngăn chặn tình trạng tràn nước vào đường hơi.
3. Khóa liên động áp suất buồng đốt
Áp suất buồng đốt ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cháy và hiệu suất trao đổi nhiệt. Nếu áp suất quá cao hoặc quá thấp, hệ thống sẽ dừng hoạt động để bảo đảm an toàn.
Khóa liên động áp suất cao (HiHi Draft Pressure Interlock): Khi áp suất buồng đốt vượt mức giới hạn, hệ thống sẽ ngắt bộ đốt để ngăn chặn nguy cơ nổ buồng đốt hoặc phá hủy ống sinh hơi.
Khóa liên động áp suất thấp (LoLo Draft Pressure Interlock): Nếu áp suất quá thấp, quá trình cháy có thể bị gián đoạn, dẫn đến cháy không hoàn toàn, thậm chí tắt lửa đột ngột, làm tăng nguy cơ tích tụ nhiên liệu chưa cháy trong buồng đốt.
4. Khóa liên động hệ thống quạt gió
Hệ thống cấp gió bao gồm quạt gió sơ cấp (PA Fan), quạt gió cấp hai (SA Fan) và quạt gió cưỡng bức (FD Fan). Các quạt này đảm bảo cung cấp đủ không khí cho quá trình đốt cháy nhiên liệu trong nồi hơi.
Khóa liên động áp suất quạt gió sơ cấp/cấp hai cao (PA/SA Fan Pressure High): Nếu áp suất quá cao, có thể làm mất cân bằng trong buồng đốt, ảnh hưởng đến quá trình cháy.
Khóa liên động quạt gió cưỡng bức (FD Fan Failure Interlock): Nếu quạt gió cưỡng bức không khởi động hoặc không đạt lưu lượng yêu cầu, nhiên liệu sẽ không được đốt cháy hiệu quả, dẫn đến tình trạng dư nhiên liệu hoặc đốt không hoàn toàn.
5. Khóa liên động nhiệt độ và mức vật liệu tầng sôi (chỉ áp dụng cho AFBC & CFBC)
Trong nồi hơi tầng sôi tuần hoàn (CFBC) hoặc tầng sôi thông thường (AFBC), nhiệt độ và mức nhiên liệu trong tầng sôi cần được kiểm soát chặt chẽ để tránh hiện tượng quá nhiệt và tắc nghẽn dòng nhiên liệu.
Khóa liên động nhiệt độ tầng sôi cao (Bed Temperature Hi – CFBC): Khi nhiệt độ trong tầng sôi vượt ngưỡng cho phép, nguy cơ nhiệt phân vật liệu chịu lửa trong buồng đốt tăng cao, làm giảm tuổi thọ thiết bị.
Khóa liên động mực vật liệu tầng sôi cao (Bed Level Hi – CFBC): Nếu mức nhiên liệu vượt quá giới hạn, quá trình tuần hoàn nhiên liệu có thể bị tắc nghẽn, gây gián đoạn vận hành.
6. Khóa liên động áp suất và cấp nhiên liệu
Các nồi hơi đốt khí hoặc đa nhiên liệu (BOF Gas, BF Gas, CO Gas) yêu cầu áp suất nhiên liệu phải được duy trì trong giới hạn an toàn để đảm bảo hiệu suất đốt và tránh cháy nổ.
- Khóa liên động áp suất nhiên liệu thấp (Fuel Gas Pressure Lo): Nếu áp suất nhiên liệu không đạt mức tối thiểu, ngọn lửa có thể không ổn định hoặc tắt ngọn lửa đột ngột.
- Khóa liên động áp suất nhiên liệu cao (Fuel Gas Pressure Hi): Nếu áp suất nhiên liệu quá cao, có thể gây nổ đường ống cấp nhiên liệu hoặc rò rỉ khí gas nguy hiểm.
- Khóa liên động van nhiên liệu: Nếu van nhiên liệu chính không mở đúng trình tự, hệ thống sẽ tự động khóa bộ đốt để tránh tích tụ nhiên liệu chưa cháy trong buồng đốt.
7. Khóa liên động hệ thống đánh lửa & Kiểm soát ngọn lửa
Hệ thống đánh lửa và cảm biến ngọn lửa đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo quá trình đốt nhiên liệu được duy trì ổn định.
Khóa liên động đánh lửa thất bại (Ignition Failure Interlock): Nếu hệ thống không phát hiện ngọn lửa trong khoảng thời gian quy định, bộ đốt sẽ ngừng hoạt động và khóa nhiên liệu để tránh tích tụ nhiên liệu chưa cháy.
Khóa liên động cảm biến ngọn lửa (Flame Failure Interlock): Nếu ngọn lửa bị tắt đột ngột trong quá trình vận hành, hệ thống sẽ dừng cấp nhiên liệu ngay lập tức để tránh nguy cơ cháy nổ.
8. Sự khác biệt giữa khóa liên động (Interlock) và Bảo vệ Tuabin (Turbine Protection)
Trong hệ thống thiết bị áp lực, đặc biệt là các hệ thống nồi hơi và tuabin hơi, khóa liên động (interlock) và bảo vệ tuabin (turbine protection) là hai khái niệm quan trọng nhưng có chức năng khác nhau.
Khóa liên động (Interlock): Là các điều kiện bắt buộc phải thỏa mãn trước khi thiết bị có thể khởi động. Nếu một trong các điều kiện này không đạt yêu cầu, thiết bị sẽ không thể hoạt động. Ví dụ, trong hệ thống tuabin hơi, khóa liên động phổ biến là thiết bị quay trục (turning gear) phải hoạt động trước khi khởi động tuabin để tránh hiện tượng cong trục do giãn nở nhiệt không đồng đều.
Bảo vệ tuabin (Turbine Protection): Là hệ thống giám sát và bảo vệ khi tuabin đang hoạt động. Nếu xảy ra sự cố, hệ thống bảo vệ sẽ tự động dừng tuabin (trip) để ngăn chặn hư hỏng nghiêm trọng. Các cơ chế bảo vệ bao gồm kiểm soát dầu bôi trơn, áp suất và nhiệt độ hơi, lưu lượng nước làm mát cho bình ngưng, độ chân không bình ngưng, v.v.