Nồi hơi ống nước (tiếng Anh: Water-tube boiler) là một trong những loại nồi hơi công nghiệp phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay, đặc biệt trong các hệ thống cần áp suất hơi cao và công suất lớn như nhà máy nhiệt điện, nhà máy chế biến thực phẩm, hóa chất, dệt nhuộm, và các ngành công nghiệp nặng. Khác biệt cơ bản giữa nồi hơi ống nước và nồi hơi ống lửa nằm ở cách thức phân bố dòng nước và dòng khí nóng trong hệ thống. Ở nồi hơi ống nước, nước chảy bên trong các ống kim loại, trong khi khí nóng lưu thông bên ngoài các ống này.
1. Nguyên lý hoạt động của nồi hơi ống nước
Nguyên lý hoạt động của nồi hơi ống nước dựa trên quá trình trao đổi nhiệt giữa khí nóng sinh ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu và nước lưu thông bên trong các ống thép chịu nhiệt. Cụ thể:
Quá trình đốt nhiên liệu tạo nhiệt
Nhiên liệu như dầu, khí tự nhiên, than đá hoặc sinh khối được đốt cháy trong buồng đốt (furnace), tạo ra dòng khí nóng có nhiệt độ cao. Trong các hệ thống đốt hiện đại, quá trình cháy được kiểm soát bằng hệ thống cấp gió cưỡng bức và điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu – không khí tối ưu nhằm tăng hiệu suất nhiệt.
Dòng nước di chuyển trong các ống
Nước cấp được đưa vào hệ thống thông qua bộ hâm nước (economizer), sau đó chảy qua các ống sinh hơi (generating tubes) bố trí xung quanh buồng đốt hoặc trong vùng có nhiệt độ cao nhất. Tại đây, nhiệt từ khí đốt sẽ truyền qua thành ống, làm nước sôi và tạo thành hỗn hợp hơi-nước.
Quá trình tạo và thu gom hơi nước
Hơi sinh ra sẽ được thu gom vào balong hơi (steam drum), nơi diễn ra quá trình tách hơi và nước. Nước chưa sôi hoàn toàn sẽ được dẫn trở lại hệ thống tuần hoàn, trong khi hơi bão hòa có thể được đưa qua bộ quá nhiệt (superheater) để nâng nhiệt độ, tạo hơi quá nhiệt phục vụ cho các thiết bị tua-bin hoặc dây chuyền sản xuất có yêu cầu nhiệt độ cao.
Toàn bộ hệ thống hoạt động theo nguyên lý tuần hoàn kín, có thể là tuần hoàn tự nhiên (dựa vào chênh lệch tỷ trọng giữa nước nóng và lạnh) hoặc tuần hoàn cưỡng bức (dùng bơm để đảm bảo lưu lượng và áp lực nước tuần hoàn).
2. Cấu tạo cơ bản của nồi hơi ống nước và chức năng của từng bộ phận chính
Nồi hơi ống nước được thiết kế theo tiêu chuẩn nghiêm ngặt nhằm đảm bảo hiệu suất vận hành và độ an toàn tối đa. Các thành phần chính trong cấu tạo của nồi hơi ống nước không chỉ đóng vai trò tạo và dẫn hơi mà còn đảm nhiệm các chức năng bảo vệ, điều khiển và tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt. Dưới đây là các bộ phận cơ bản và chức năng tương ứng:
2.1. Buồng đốt (Furnace)
Buồng đốt là khu vực trung tâm nơi diễn ra quá trình cháy của nhiên liệu. Nó được thiết kế với vật liệu chịu nhiệt cao, thường là thép hợp kim hoặc được lót gạch chịu lửa, nhằm đảm bảo khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn do sản phẩm cháy.
Chức năng chính: cung cấp môi trường cháy tối ưu cho nhiên liệu, sinh ra nhiệt lượng cao để đun nóng nước trong các ống.
Yêu cầu kỹ thuật: phân bố nhiệt đều, hạn chế điểm nóng cục bộ (hot spot) và đảm bảo quá trình cháy hoàn toàn, tránh phát thải không đạt chuẩn.
2.2. Bề mặt gia nhiệt (Heating Surfaces)
Đây là tập hợp các khu vực truyền nhiệt từ khí nóng sang nước, bao gồm:
a. Ống sinh hơi (Generating tubes)
Vị trí: bao quanh buồng đốt hoặc đặt tại vùng có nhiệt độ khí nóng cao.
Chức năng: chứa nước và hấp thụ nhiệt để tạo ra hơi bão hòa. Các ống này được làm từ thép chịu áp lực cao, có đường kính và chiều dày tính toán chính xác theo tiêu chuẩn quy định
>>> Tìm hiểu về tiêu chuẩn EN 12952 trong thiết kế chế tạo nồi hơi ống nước
b. Bộ quá nhiệt (Superheater)
Chức năng: làm tăng nhiệt độ hơi bão hòa sau khi ra khỏi balong hơi, nhằm tạo hơi quá nhiệt dùng cho tua-bin hoặc các thiết bị cần hơi khô ở nhiệt độ cao.
Thiết kế: thường là các ống uốn cong thành hàng ngang, đặt tại vùng khí thải có nhiệt độ cao nhất sau buồng đốt.
c. Bộ hâm nước (Economizer)
Vị trí: phía cuối đường đi của khí thải, trước khi ra khỏi ống khói.
Chức năng: tận dụng nhiệt dư của khí thải để hâm nóng nước cấp trước khi vào balong, giúp giảm tiêu hao nhiên liệu.
d. Bộ sấy không khí (Air Preheater) – nếu có
Chức năng: sử dụng nhiệt từ khí thải để gia nhiệt không khí cấp vào buồng đốt, giúp nâng cao hiệu suất đốt cháy và giảm nhiệt độ khí thải.
Loại phổ biến: dạng ống hoặc dạng quay (rotary air preheater).
2.3. Balong hơi (Steam Drum)
Là nơi tách pha giữa nước và hơi, có vai trò cực kỳ quan trọng trong việc ổn định chất lượng hơi và bảo vệ thiết bị tiêu thụ hơi.
Chức năng chính:
- Thu gom hơi nước từ hệ thống ống sinh hơi.
- Thực hiện tách ẩm (qua các thiết bị tách hơi cơ học).
- Phân phối lại nước tuần hoàn xuống các ống sinh hơi.
- Là nơi đặt các cảm biến mức nước, van an toàn và các thiết bị đo lường.
2.4. Hệ thống cấp nước (Feedwater System)
Bao gồm bơm cấp nước, đường ống cấp và thiết bị xử lý nước (lọc, khử khí, khử khoáng…).
Chức năng: đảm bảo cung cấp nước sạch, ổn định và đúng áp lực vào hệ thống, tránh hiện tượng cạn nước balong hoặc ăn mòn do nước kém chất lượng.
2.5. Hệ thống thải xỉ, tro (nếu đốt than hoặc nhiên liệu rắn)
Chức năng: thu gom và loại bỏ tro, xỉ sau khi đốt, giữ sạch buồng đốt và ống truyền nhiệt.
Phổ biến: hệ thống thải xỉ khô hoặc ướt, có thể vận hành thủ công hoặc tự động.
2.6. Hệ thống điều khiển và bảo vệ
Bao gồm:
- Cảm biến nhiệt độ, áp suất, lưu lượng.
- Hệ thống PLC hoặc DCS điều khiển tự động.
- Van an toàn, rơ-le áp suất, báo mức nước thấp/cao, bộ hiển thị và điều chỉnh công suất.
Chức năng: đảm bảo vận hành an toàn, tối ưu và ngăn ngừa các sự cố như quá áp, cạn nước, quá nhiệt, hoặc cháy ngược.
3. Phân loại nồi hơi ống nước (Water-tube boiler) dựa trên các tiêu chí khác nhau
Nồi hơi ống nước được thiết kế linh hoạt để phù hợp với nhiều nhu cầu sử dụng và điều kiện vận hành khác nhau. Tùy theo đặc điểm kết cấu, nguyên lý vận hành và cấu hình lắp đặt, nồi hơi ống nước có thể được phân loại như sau:
3.1. Phân loại theo cấu trúc ống: Ống thẳng và ống cong
a. Nồi hơi ống thẳng (Straight tube water-tube boiler)
Cấu trúc: Các ống nước được bố trí theo dạng thẳng đứng hoặc nghiêng, kết nối giữa balong hơi và balong nước.
Ưu điểm: Thiết kế đơn giản, dễ thi công, dễ làm sạch cáu cặn bên trong ống.
Ứng dụng: Phù hợp với các hệ thống có yêu cầu lưu lượng hơi không quá lớn, điều kiện bảo trì thường xuyên.
b. Nồi hơi ống cong (Bent tube water-tube boiler)
Cấu trúc: Các ống nước được uốn cong nhằm tăng diện tích truyền nhiệt và cải thiện dòng chảy tuần hoàn.
Ưu điểm: Linh hoạt trong bố trí không gian, tăng diện tích tiếp xúc với khí nóng, hiệu suất truyền nhiệt cao hơn, phù hợp với hệ thống công suất lớn.
Ứng dụng: Phổ biến trong các nhà máy điện, nhà máy công nghiệp nặng, nơi yêu cầu áp suất và công suất hơi cao.
3.2. Phân loại theo phương thức tuần hoàn nước: Tuần hoàn tự nhiên và tuần hoàn cưỡng bức
a. Nồi hơi tuần hoàn tự nhiên (Natural circulation boiler)
Nguyên lý: Nước tuần hoàn dựa trên sự chênh lệch tỉ trọng giữa nước nóng và nước lạnh trong các ống.
Ưu điểm: Không cần bơm tuần hoàn, thiết kế đơn giản, ít tiêu tốn điện năng.
Hạn chế: Hạn chế trong việc nâng cao tải đột ngột, khó điều chỉnh lưu lượng nước tuần hoàn.
Ứng dụng: Thường thấy trong các hệ thống hơi công nghiệp nhỏ đến trung bình.
b. Nồi hơi tuần hoàn cưỡng bức (Forced circulation boiler)
Nguyên lý: Sử dụng bơm để cưỡng bức nước lưu thông qua các ống trao đổi nhiệt.
Ưu điểm: Điều khiển chính xác lưu lượng nước, thích hợp với tải thay đổi nhanh, đáp ứng yêu cầu công suất hơi lớn.
Hạn chế: Chi phí đầu tư và vận hành cao hơn, yêu cầu bảo trì hệ thống bơm tuần hoàn.
Ứng dụng: Nhà máy nhiệt điện, hệ thống tua-bin hơi, ứng dụng cần tính ổn định cao.
3.3. Phân loại theo số lượng balong hơi: Một balong và hai balong
a. Nồi hơi một balong (Single drum boiler)
Đặc điểm: Toàn bộ quá trình tách hơi và phân phối nước tuần hoàn diễn ra trong một balong duy nhất.
Ưu điểm: Cấu tạo gọn, dễ lắp đặt và bảo trì, giảm chi phí thiết bị.
Hạn chế: Khả năng xử lý tải lớn kém hơn so với loại hai balong.
Ứng dụng: Các nhà máy công nghiệp vừa và nhỏ, nơi nhu cầu hơi ở mức trung bình.
b. Nồi hơi hai balong (Bi-drum boiler)
Đặc điểm: Có một balong hơi phía trên và một balong nước phía dưới, kết nối bởi hệ thống ống đối lưu.
Ưu điểm: Tăng hiệu quả tuần hoàn nước, tách pha hơi-nước tốt hơn, vận hành ổn định hơn trong điều kiện tải biến động lớn.
Hạn chế: Cấu trúc phức tạp hơn, chi phí chế tạo và lắp đặt cao hơn.
Ứng dụng: Các tổ máy phát điện, nồi hơi công suất lớn, nhà máy nhiệt điện.
3.4. Phân loại theo hình dáng kết cấu tổng thể: D-type, O-type, A-type
Đây là cách gọi theo hình dáng mô phỏng chữ cái Latinh trong cách bố trí các balong, ống nước và buồng đốt.
a. Nồi hơi D-type (kiểu chữ D)
Cấu hình: Có một balong hơi phía trên và một balong nước phía dưới, các ống nước được bố trí theo dạng cong tạo thành hình chữ D khi nhìn ngang.
Đặc điểm nổi bật:
- Bố trí buồng đốt lệch về một phía.
- Thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm không gian chiều ngang.
- Phù hợp với các ứng dụng yêu cầu công suất lớn và tính ổn định cao.
Ứng dụng: Nhà máy điện, tàu thủy, hệ thống hơi công nghiệp cỡ lớn.
Ưu điểm: Dễ bảo trì, tách pha hơi-nước hiệu quả, đáp ứng tải thay đổi nhanh.
b. Nồi hơi O-type (kiểu chữ O)
Cấu hình: Gồm hai balong – một phía trên và một phía dưới – bố trí thẳng đứng đối xứng, các ống bao quanh buồng đốt chính giữa theo dạng hình tròn hoặc elip (tạo hình chữ O khi nhìn ngang).
Đặc điểm nổi bật:
- Buồng đốt nằm ở giữa, được bao kín bởi các ống nước.
- Thiết kế đối xứng, cân bằng tải nhiệt tốt.
- Thích hợp với hệ thống vận hành liên tục và yêu cầu độ tin cậy cao.
Ưu điểm: Ít chịu ứng suất lệch, vận hành ổn định, dễ dàng nâng cấp hệ thống đốt và bộ thu hồi nhiệt.
c. Nồi hơi A-type (kiểu chữ A)
Cấu hình: Gồm một balong hơi ở phía trên, hai balong nước ở hai bên phía dưới (giống chân chữ A), nối với balong hơi bằng các ống nước.
Đặc điểm nổi bật:
- Tối ưu không gian chiều dọc, buồng đốt đặt giữa hai cụm ống nghiêng.
- Khả năng vận hành ở áp suất cao, phù hợp với nhu cầu tải lớn và liên tục.
Ứng dụng: Nhà máy lọc dầu, công nghiệp hóa dầu, hệ thống năng lượng có yêu cầu áp suất hơi cao.
Phân loại theo kiểu D, O, A giúp các kỹ sư thiết kế lựa chọn cấu hình phù hợp với không gian bố trí, đặc điểm vận hành và yêu cầu công suất của hệ thống lò hơi. Đây cũng là tiêu chí quan trọng trong việc thiết kế theo đơn đặt hàng hoặc dự án EPC quy mô lớn.
Liên hệ thiết kế, chế tạo nồi hơi ống nước
Hotline: (+84) 7 08 09 1033
Email: info@prebecc.com
Với đội ngũ kỹ sư giàu kinh nghiệm và năng lực thiết kế – chế tạo mạnh mẽ, chúng tôi tự tin đáp ứng hàng loạt tiêu chuẩn khắt khe nhất trong ngành công nghiệp nồi hơi và thiết bị áp lực như:
- ASME Section I, ASME Section VIII Div.1 & Div.2
- ASME B31.1, API-650, API-620
- EN-12952, EN-12953, EN-13445, EN-13480
- PED 2014/68/EU, KSB 6753, EN-1090, EN-3834, TCVN 12728, EN-1990
Từ thiết kế chi tiết đến chế tạo và lắp đặt, Prebecc cam kết mang đến những hệ thống nồi hơi an toàn, hiệu quả và tối ưu cho từng nhu cầu sử dụng.