Trong thiết kế chế tạo nồi hơi, các phụ kiện và thiết bị kiểm soát đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo vận hành an toàn và hiệu quả. Từ bảng tên nồi hơi, van an toàn, kính thủy đến hệ thống điều khiển mức nước, mỗi thành phần đều có nhiệm vụ riêng, giúp duy trì áp suất, kiểm soát mức nước và bảo vệ hệ thống trước các nguy cơ quá tải hay hư hỏng.
Việc hiểu rõ và lựa chọn đúng các phụ kiện phù hợp không chỉ giúp tăng tuổi thọ nồi hơi mà còn tối ưu hiệu suất hoạt động của toàn bộ hệ thống.
1. Bảng tên nồi hơi (Boiler Nameplate)
Vào nửa cuối thế kỷ 19, các vụ nổ nồi hơi là chuyện thường xuyên xảy ra. Nhằm giảm thiểu nguy cơ nổ này, một công ty đã được thành lập tại Manchester để tiến hành kiểm tra độc lập các nồi hơi. Đây cũng là tiền thân của Liên Đoàn An Toàn (SAFed) ngày nay, tổ chức chịu trách nhiệm phê duyệt các thiết bị và van kiểm soát nồi hơi tại Anh.
Thành công ban đầu của hệ thống kiểm tra này rất ấn tượng: Chỉ có 8 trong số 11.000 nồi hơi được kiểm tra bị nổ, so với 260 vụ nổ của những nồi hơi không được kiểm tra. Kết quả này đã góp phần thông qua Đạo Luật Nổ Nồi Hơi (1882), trong đó quy định rõ rắng rằng mỗi nồi hơi phải được trang bị tấm biển tên (name-plate).
Chức năng của tấm biển tên
- Số serial và model: Giúp xác định duy nhất nồi hơi, dùng khi đặt mua phụ tùng thay thế hoặc kiểm tra lịch sử hoạt động.
- Công suất nồi hơi: Có thể được biểu diễn bằng nhiều cách, như đã đề cập trong các module trước.
2. Van an toàn (Safety valves)
Van an toàn là một bộ phận quan trọng trong hệ thống nồi hơi, hoạt động theo nguyên lý tự động xả áp suất dư thừa khi áp suất bên trong vượt quá mức giới hạn cho phép. Khi áp suất đạt đến giá trị cài đặt, lò xo trong van sẽ nén lại, mở cửa van để hơi thoát ra ngoài, giúp duy trì áp suất an toàn và ngăn ngừa nguy cơ nổ.
Tiêu chuẩn van an toàn
- Tại châu Âu: Tiêu chuẩn EN 12953
- Tại Mỹ và các khu vực khác: Tuân theo tiêu chuẩn ASME và tiêu chuẩn quốc gia
Yêu cầu cơ bản
- Khả năng xả thả tối thiểu phải đảm bảo lưu lượng bào hoà sống hơi.
- Các van an toàn phải hoạt động ở áp suất không quá 110% so với áp suất thiết kế.
- Đường kính lối vào tối thiểu là 20 mm.
3. Van chặn nóng (Boiler stop valves)
Van chặn nóng (boiler stop valve), hay còn gọi là crown valve, có chức năng cách ly nồi hơi khỏi hệ thống tiêu thụ hơi bằng cách kiểm soát dòng hơi đi ra khỏi nồi hơi. Đây là một bộ phận quan trọng đảm bảo an toàn cho hệ thống hơi, tránh hiện tượng quá áp hay rò rỉ hơi ngoài ý muốn.
Vật liệu chế tạo
Trước đây, van chặn nóng thường được làm từ gang xám. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng áp suất cao, thép và đồng thau được sử dụng để tăng độ bền.
Theo tiêu chuẩn BS 2790 của Anh (hiện đang dần được thay thế bằng EN 12953), gang xám không còn được phép sử dụng cho van chặn nóng trên nồi hơi hơi nước. Gang graphit cầu (spheroidal graphite iron – SG iron) có tính chất cơ học gần giống với thép, do đó nhiều nhà sản xuất nồi hơi chọn loại vật liệu này để chế tạo van chặn nóng tiêu chuẩn.
Nguyên lý hoạt động và yêu cầu vận hành
- Van chặn nóng không được thiết kế để điều chỉnh lưu lượng hơi (not a throttling valve). Thay vào đó, nó nên được mở hoàn toàn hoặc đóng hoàn toàn.
- Khi mở van, cần thực hiện từ từ để tránh hiện tượng búa nước (water hammer), giúp kiểm soát áp suất đầu ra và ngăn chặn hiện tượng sôi bùng phát (priming) trong nồi hơi.
- Để tuân thủ quy định tại Anh, van phải thuộc loại rising handwheel – tức là tay vặn sẽ di chuyển lên khi mở van, giúp người vận hành dễ dàng quan sát trạng thái đóng/mở, ngay cả khi đứng từ sàn nhà.
- Một số thiết kế có tích hợp bộ chỉ thị trạng thái van, giúp người vận hành nhận biết tình trạng van từ xa.
Ứng dụng trong hệ thống nồi hơi đa cấp (multi-boiler systems)
- Khi có nhiều nồi hơi hoạt động song song, cần có một van cách ly bổ sung lắp nối tiếp với van chặn nóng.
- Ít nhất một trong hai van này phải có khả năng khoá ở trạng thái đóng (lockable in the closed position) để đảm bảo an toàn khi bảo trì hoặc khi cần cô lập một nồi hơi.
- Van bổ sung thường là van cầu một chiều (globe valve, screw-down non-return type), giúp ngăn chặn áp suất từ một nồi hơi tác động lên nồi hơi khác.
- Một giải pháp thay thế khác là sử dụng van vít chặn (screw-down valve), kết hợp với van đĩa một chiều (disc check valve) đặt giữa mặt bích của van chặn nóng và van vít chặn.
4. Van kiểm soát nước cấp (Feedwater check valves)
Van kiểm soát nước cấp (feedwater check valve) được lắp đặt trên đường cấp nước nồi hơi, giữa bơm cấp nước và nồi hơi. Một van chặn cấp nước nồi hơi cũng được lắp đặt tại vỏ nồi hơi để kiểm soát lưu lượng nước vào.
Nguyên lý hoạt động
- Khi nồi hơi không có áp suất, van kiểm soát nước cấp bao gồm một lò xo có lực tương đương với áp lực cột nước từ bồn cấp nước trên cao. Điều này giúp ngăn chặn nước trong bồn cấp tràn vào nồi hơi do áp lực tĩnh.
- Khi bơm cấp nước hoạt động, áp lực của bơm vượt qua lực của lò xo, mở van và cho phép nước đi vào nồi hơi.
- Khi bơm ngừng hoạt động, áp suất giảm, lò xo tự động đẩy van đóng lại để ngăn nước trong nồi hơi chảy ngược về đường cấp.
- Trong điều kiện vận hành bình thường, van hoạt động theo cơ chế một chiều, đảm bảo rằng không có dòng nước ngược từ nồi hơi vào đường cấp khi bơm không chạy.
Yêu cầu kỹ thuật
- Van phải đảm bảo độ kín cao để tránh rò rỉ nước.
- Nhiệt độ hoạt động thường dưới 100°C, do đó, loại van có đệm mềm EPDM (Ethylene Propylene) là lựa chọn phù hợp để đảm bảo độ kín và tuổi thọ cao.
- Đường kính danh nghĩa (DN) của van cần phù hợp với lưu lượng nước cấp để đảm bảo cung cấp đủ nước cho nồi hơi trong điều kiện vận hành tối đa.
5. Kiểm soát TDS (Tổng chất rắn hòa tan)
Hệ thống kiểm soát TDS (Total Dissolved Solids) đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nồng độ tổng chất rắn hòa tan trong nước lò hơi ở mức cho phép. Đây còn được gọi là xả liên tục (continuous blowdown), giúp kiểm soát chất lượng nước và ngăn ngừa sự tích tụ cặn bẩn trong lò.
Thông thường, hệ thống này kết nối với lò hơi thông qua đường ống có kích thước DN15 hoặc DN20. Việc kiểm soát có thể thực hiện theo phương pháp thủ công hoặc tự động. Với hệ thống thủ công, nhân viên vận hành sẽ lấy mẫu nước trong lò vào mỗi ca làm việc, đo mức TDS và điều chỉnh bằng cách xả bớt nước khi cần thiết. Trong khi đó, hệ thống tự động sử dụng cảm biến đo lường liên tục, so sánh với mức TDS cài đặt trước và tự động điều chỉnh lượng nước xả ra ngoài, đảm bảo mức TDS luôn trong giới hạn cho phép.
Cơ chế hoạt động của hệ thống này dựa trên nguyên tắc pha loãng. Khi mức TDS vượt ngưỡng, một lượng nước có nồng độ chất rắn hòa tan cao sẽ được xả bỏ và thay thế bằng nước cấp mới với TDS thấp hơn. Điều này giúp duy trì chất lượng nước trong lò, giảm nguy cơ hình thành cáu cặn và nâng cao hiệu suất vận hành.
6. Xả đáy lò hơi (Bottom blowdown)
Xả đáy lò hơi là quá trình loại bỏ cặn bẩn và bùn tích tụ dưới đáy lò, ngăn chặn sự hình thành cáu cặn và đảm bảo hiệu suất trao đổi nhiệt. Cặn bẩn nếu không được loại bỏ thường xuyên có thể dẫn đến hiện tượng quá nhiệt cục bộ, gây ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị.
Hệ thống xả đáy thường sử dụng van khóa tay có kích thước phổ biến từ DN25 đến DN50. Trong vận hành tiêu chuẩn, van này được mở trong khoảng 5 giây mỗi ca làm việc để loại bỏ cặn lắng. Ngoài phương pháp thủ công, hệ thống xả đáy cũng có thể được tự động hóa bằng van điều khiển thời gian hoặc cảm biến đo chất lượng nước, giúp tối ưu hóa quy trình và giảm sự can thiệp của con người.
Tùy vào thiết kế hệ thống, xả đáy có thể được thực hiện dưới hai hình thức: xả đáy liên tục với lưu lượng nhỏ để duy trì chất lượng nước trong lò và xả đáy gián đoạn nhằm loại bỏ lượng lớn cặn bẩn tại một thời điểm. Việc áp dụng phương pháp phù hợp giúp duy trì hiệu suất vận hành và kéo dài tuổi thọ lò hơi.
7. Đồng hồ áp suất (Pressure gauge)
Đồng hồ áp suất là thiết bị bắt buộc trên mọi hệ thống lò hơi, có chức năng đo và hiển thị áp suất làm việc để đảm bảo vận hành trong giới hạn an toàn. Theo tiêu chuẩn EN 12953, đồng hồ áp suất cho lò hơi cần có mặt số tối thiểu 150 mm để đảm bảo dễ quan sát và thường thuộc loại ống Bourdon, hoạt động dựa trên nguyên lý giãn nở của ống khi áp suất thay đổi.
Mặt số đồng hồ được đánh dấu rõ ràng với các thông số quan trọng, bao gồm áp suất làm việc bình thường và áp suất tối đa cho phép theo thiết kế. Để bảo vệ cơ cấu đo khỏi nhiệt độ cao, đồng hồ áp suất được kết nối với không gian hơi của lò thông qua ống siphon vòng chứa nước ngưng, giúp giảm nhiệt trước khi áp suất tác động lên cơ cấu đo.
Ngoài việc lắp đặt trên thân lò hơi, đồng hồ áp suất còn được sử dụng trong các hệ thống liên quan như bình xả đáy và đường ống hơi. Trong các trường hợp này, mặt số đồng hồ có thể nhỏ hơn nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác và khả năng chịu áp lực cao.
8. Kính thủy đo mức nước
Trong hệ thống nồi hơi, kính thủy đo mức nước đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và kiểm soát mức nước, giúp đảm bảo an toàn vận hành. Theo tiêu chuẩn EN 12953, các nồi hơi có công suất từ 100 kW trở lên phải được trang bị tối thiểu hai kính thủy đo mức nước.
8.1. Chức năng và nguyên tắc hoạt động
Kính thủy đo mức nước cho phép người vận hành quan sát trực tiếp mức nước bên trong nồi hơi, bất kể điều kiện vận hành. Việc lắp đặt phải đảm bảo rằng mức nước hiển thị thấp nhất trên kính thủy luôn cao hơn ít nhất 50 mm so với điểm có nguy cơ quá nhiệt. Để tăng cường an toàn, kính thủy thường được bảo vệ bằng lớp che chắn nhằm giảm thiểu nguy cơ vỡ nhưng vẫn duy trì khả năng quan sát rõ ràng.
Trong quá trình vận hành, kính thủy có thể bị hư hại do nhiều nguyên nhân, bao gồm ăn mòn hóa học từ nước nồi hơi hoặc xói mòn do quá trình xả đáy, đặc biệt ở đầu tiếp xúc với hơi nước. Khi phát hiện dấu hiệu ăn mòn hoặc xói mòn, việc thay thế kính thủy mới là cần thiết để duy trì tính chính xác và an toàn vận hành.
8.2. Quy trình kiểm tra kính thủy đo mức nước
Để đảm bảo hoạt động ổn định, kính thủy cần được kiểm tra thường xuyên nhằm phát hiện các tình trạng tắc nghẽn hoặc hiển thị sai mức nước. Quy trình kiểm tra bao gồm:
1. Kiểm tra kết nối nước
- Đóng van cấp nước.
- Mở van xả trong khoảng 5 giây để kiểm tra khả năng thoát nước.
- Đóng van xả, sau đó mở lại van cấp nước.
- Quan sát mức nước: nếu nước không nhanh chóng trở về mức bình thường, có thể van cấp nước bị tắc và cần được xử lý ngay.
2. Kiểm tra kết nối hơi
- Đóng van hơi.
- Mở van xả trong 5 giây để kiểm tra đường hơi.
- Đóng van xả, sau đó mở lại van hơi.
- Quan sát phản ứng của nước: nếu nước không trở về mức bình thường nhanh chóng, đường hơi có thể bị tắc nghẽn và cần được kiểm tra, khắc phục.
Người vận hành có trách nhiệm thực hiện kiểm tra kính thủy ít nhất một lần mỗi ngày. Trong quá trình kiểm tra, cần trang bị đầy đủ bảo hộ lao động như găng tay chịu nhiệt và kính bảo vệ để tránh rủi ro bỏng khi thao tác.
8.3. Bảo trì và thay thế kính thủy đo mức nước
Kính thủy phải được vệ sinh thường xuyên để đảm bảo khả năng quan sát rõ ràng. Khi vệ sinh hoặc tháo rời kính thủy, cần tuân thủ các bước sau:
- Đảm bảo mức nước trong nồi hơi đang ở ngưỡng an toàn trước khi thực hiện.
- Đóng van hơi và van cấp nước trước khi tháo kính thủy.
- Sau khi vệ sinh hoặc thay thế, cần kiểm tra lại hệ thống để đảm bảo hoạt động chính xác.
Việc kiểm tra và bảo dưỡng kính thủy cũng cần được thực hiện định kỳ trong quá trình bảo trì nồi hơi hàng năm. Nếu ron làm kín bị cứng, van bị kẹt hoặc tay cầm van bị cong, ảnh hưởng đến khả năng đóng mở, các bộ phận này cần được thay thế ngay lập tức.
8.4. Các vấn đề thường gặp và biện pháp khắc phục
Kính thủy có thể gặp một số vấn đề phổ biến trong quá trình vận hành, bao gồm:
- Kính bị đổi màu: Do điều kiện nước trong nồi hơi, cần thay thế kính mới nếu mức quan sát bị hạn chế.
- Xói mòn hoặc ăn mòn: Nếu kính bị mỏng hoặc suy yếu, cần thay thế để đảm bảo an toàn.
- Mức nước hiển thị không chính xác: Nếu đường hơi bị tắc, mức nước có thể hiển thị cao hơn thực tế. Nếu đường nước bị tắc, mức nước trong kính có thể cố định hoặc không phản ánh đúng mức thực tế bên trong nồi hơi.
Do kính thủy là thiết bị trực quan duy nhất giúp xác định mức nước trong nồi hơi, việc giám sát và bảo trì thường xuyên là bắt buộc. Nếu phát hiện bất kỳ bất thường nào liên quan đến mức nước hiển thị, cần tiến hành kiểm tra ngay lập tức và dừng vận hành nồi hơi nếu cần thiết để tránh rủi ro quá nhiệt hoặc hỏng hóc nghiêm trọng.
9. Hệ thống kiểm soát mức nước trong thiết kế chế tạo nồi hơi
Duy trì mức nước chính xác trong nồi hơi là yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu suất vận hành và an toàn của hệ thống. Quá trình cảm biến mức nước và kiểm soát mức nước trong nồi hơi là một chủ đề phức tạp, được quy định bởi nhiều tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt.
9.1. Buồng đo mức nước bên ngoài (External level control chambers) trong chế tạo nồi hơi
Buồng đo mức nước bên ngoài là bộ phận được lắp đặt tách biệt với thân nồi hơi, có nhiệm vụ chứa các thiết bị kiểm soát mức nước hoặc cảnh báo khi có sự cố xảy ra. Các buồng này thường được thiết kế theo tiêu chuẩn an toàn và phù hợp với từng loại nồi hơi khác nhau.
Hệ thống kiểm soát mức nước hoặc cảnh báo được kiểm tra hàng ngày thông qua van xả theo trình tự (sequencing purge valve). Khi xoay tay vặn (handwheel) theo chiều ngược kim đồng hồ đến vị trí mở hoàn toàn, van sẽ ở trạng thái vận hành bình thường, đồng thời đóng đường xả nước để ngăn ngừa rò rỉ.
Một số tay vặn có đi kèm mặt số chỉ thị giúp dễ dàng xác định trạng thái vận hành, trong khi một số khác sử dụng cơ cấu chốt cơ khí để đảm bảo hoạt động chính xác.
9.2. Quy trình kiểm tra hệ thống kiểm soát mức nước trong nồi hơi
Khi nồi hơi đang hoạt động dưới áp suất bình thường và béc đốt (burner) đang trong trạng thái làm việc, có thể thực hiện kiểm tra hệ thống theo các bước sau:
1. Xả nước từ buồng đo mức nước:
- Xoay tay vặn chậm theo chiều kim đồng hồ đến vị trí dừng đầu tiên.
- Lúc này, kết nối giữa buồng phao và đường hơi bị chặn, đường xả mở ra, nước sẽ được thổi qua đường xả.
- Giữ nguyên trạng thái này trong khoảng 5 – 8 giây để đảm bảo nước thoát hoàn toàn.
2. Xả hơi từ buồng đo mức nước:
- Tiếp tục xoay tay vặn theo chiều kim đồng hồ đến hết hành trình.
- Lúc này, đường nước bị đóng lại hoàn toàn, van xả vẫn mở, đồng thời buồng phao và đường hơi được thổi sạch.
- Khi mức nước trong nồi giảm xuống, hệ thống kiểm soát sẽ kích hoạt máy bơm cấp nước, đồng thời còi báo động hoặc bộ ngắt béc đốt sẽ hoạt động.
- Nếu hệ thống được trang bị cảnh báo mức nước thấp bổ sung (extra low water alarm), nồi hơi sẽ tự động dừng hoạt động để tránh nguy cơ quá nhiệt.
- Giữ nguyên trạng thái này trong 5 – 8 giây để đảm bảo hơi được xả hoàn toàn.
3. Đưa hệ thống về trạng thái vận hành bình thường: Xoay tay vặn ngược chiều kim đồng hồ đến vị trí ban đầu để đóng kín đường xả, đưa hệ thống về trạng thái vận hành bình thường.
9.3. Tầm quan trọng của kiểm tra định kỳ
Các van xả theo trình tự (sequencing purge valve) được sản xuất bởi nhiều nhà cung cấp khác nhau và có thể có sự khác biệt trong cách vận hành. Do đó, người vận hành nồi hơi cần tuân thủ chặt chẽ hướng dẫn của nhà sản xuất khi thực hiện kiểm tra hệ thống.
Việc kiểm tra mức nước hàng ngày không chỉ giúp phát hiện kịp thời các vấn đề như tắc nghẽn đường nước, xả hơi không hiệu quả hay cảm biến hoạt động sai, mà còn đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, giảm thiểu nguy cơ hư hỏng nồi hơi và tăng tuổi thọ thiết bị.
10. Van xả khí (Air Vent) và Van chống áp âm (Vacuum Breaker)
Khi nồi hơi được khởi động từ trạng thái nguội, khoang chứa hơi bên trong sẽ đầy không khí. Không khí này không có giá trị nhiệt và có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của hệ thống hơi do tạo ra lớp cách nhiệt trên bề mặt trao đổi nhiệt. Nếu không được loại bỏ triệt để, không khí còn có thể gây ra hiện tượng ăn mòn trong hệ thống ngưng tụ.
Không khí trong khoang hơi có thể được xả ra ngoài thông qua một van xả khí đơn giản. Thông thường, van này sẽ được mở cho đến khi áp suất trong nồi hơi đạt khoảng 0,5 bar.
Một giải pháp thay thế là sử dụng van xả khí cân bằng áp suất, giúp loại bỏ việc xả khí thủ công, đảm bảo quá trình xả khí luôn được thực hiện tự động. Loại van này có độ chính xác cao hơn và có thể loại bỏ các loại khí tích tụ bên trong nồi hơi.
Nguồn: spiraxsarco.com
Khi nồi hơi ngừng hoạt động, hơi nước trong khoang hơi sẽ ngưng tụ, tạo ra một vùng áp suất âm. Hiện tượng này khiến áp suất bên ngoài tác động lên vỏ nồi hơi, có thể dẫn đến rò rỉ tại các cửa kiểm tra nồi hơi, gây biến dạng các tấm phẳng của nồi và làm tăng nguy cơ bơm quá mức nước vào nồi hơi đã dừng hoạt động.
Để ngăn chặn tình trạng này, một van chống áp âm được lắp đặt trên thân nồi hơi nhằm cân bằng áp suất và bảo vệ kết cấu của thiết bị.
Bài viết dịch và tham khảo từ: https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/the-boiler-house/boiler-fittings-and-mountings?sc_lang=en-GB