Hơi nước Flash

Lợi ích của việc thu hồi hơi nước flash, cách thực hiện và cách hơi nước flash có thể được áp dụng ở nơi khác trong nhà máy để tối đa hóa hiệu quả tổng thể.

Hơi nước flash là gì và tại sao nên sử dụng nó?

‘Hơi nước flash’ được giải phóng từ ngưng tụ nóng khi áp suất của nó giảm. Ngay cả nước ở nhiệt độ môi trường phòng 20°C cũng sẽ sôi nếu áp suất được giảm đủ thấp. Cần lưu ý rằng nước ở 170°C sẽ sôi ở bất kỳ áp suất nào dưới 6.9 bar g. Hơi nước được giải phóng bởi quá trình flash hữu ích như hơi nước được giải phóng từ lò hơi. Ví dụ, khi hơi nước được lấy từ lò hơi và áp suất lò hơi giảm, một phần hàm lượng nước trong lò hơi sẽ bốc hơi để bổ sung hơi nước ‘sống’ được tạo ra bởi nhiệt từ nhiên liệu lò hơi. Vì cả hai loại hơi nước đều được tạo ra trong lò hơi, không thể phân biệt giữa chúng. Chỉ khi quá trình flash xảy ra ở áp suất tương đối thấp, chẳng hạn như ở phía xả của bẫy hơi, thuật ngữ hơi nước flash mới được sử dụng rộng rãi. Thật không may, cách sử dụng này đã dẫn đến kết luận sai lầm rằng hơi nước flash có giá trị thấp hơn so với hơi nước sống. Trong bất kỳ hệ thống hơi nước nào tìm cách tối đa hóa hiệu quả, hơi nước flash sẽ được tách khỏi ngưng tụ, và được sử dụng để bổ sung cho bất kỳ ứng dụng sưởi áp suất thấp nào. Mỗi kilogram hơi nước flash được sử dụng theo cách này là một kilogram hơi nước không cần được cung cấp bởi lò hơi. Nó cũng là một kilogram hơi nước không được xả ra khí quyển, nếu không sẽ bị mất. Lý do cho việc thu hồi hơi nước flash cũng hấp dẫn không kém, cả về kinh tế lẫn môi trường, so với lý do thu hồi ngưng tụ. Có bao nhiêu hơi nước flash có sẵn? Nếu muốn sử dụng hơi nước flash, sẽ rất hữu ích khi biết có bao nhiêu hơi nước flash có sẵn. Số lượng có thể dễ dàng xác định bằng tính toán, hoặc có thể đọc từ các bảng hoặc biểu đồ đơn giản. Ví dụ 14.6.1 - Xem xét bình jacket được thể hiện trong Hình 14.6.1 Ngưng tụ đi vào bẫy hơi ở dạng nước bão hòa, ở áp suất kế 7 bar g và nhiệt độ 170°C. Lượng nhiệt riêng trong ngưng tụ ở áp suất này là 721 kJ/kg. Sau khi đi qua bẫy hơi, áp suất trong đường hồi ngưng tụ là 0 bar g. Ở áp suất này, lượng nhiệt tối đa mỗi kilogram ngưng tụ có thể chứa là 419 kJ và nhiệt độ tối đa là 100°C. Có 302 kJ nhiệt dư thừa làm bay hơi một phần ngưng tụ thành hơi nước. Số lượng hơi nước được tính trong văn bản sau.

Nhiệt cần thiết để tạo ra 1 kg hơi nước bão hòa từ nước ở cùng nhiệt độ, ở 0 bar kế, là 2257 kJ. Do đó, 302 kJ có thể bay hơi:

Từ mỗi kilogram ngưng tụ trong ví dụ này, tỷ lệ hơi nước flash được tạo ra bằng 13.4% khối lượng ban đầu của ngưng tụ.

Nếu thiết bị sử dụng hơi ở 7 bar g đang ngưng tụ 250 kg/h, thì lượng hơi nước flash được giải phóng bởi ngưng tụ ở 0 bar g sẽ là: 0.134 x 250 kg/h ngưng tụ = 33.5 kg/h hơi nước flash Ngoài ra, biểu đồ trong Hình 14.6.2 có thể được đọc trực tiếp cho các áp suất trung bình và thấp gặp phải trong nhiều nhà máy. Ví dụ được thể hiện trong Hình 14.6.1 được mô tả trong Hình 14.6.2 và cho thấy 0.134 kg hơi nước flash được tạo ra cho mỗi kg ngưng tụ đi qua bẫy hơi.

Ngưng tụ dưới nguội Nếu bẫy hơi thuộc loại nhiệt tĩnh, ngưng tụ được xả ở nhiệt độ dưới nhiệt độ bão hòa. Nhiệt trong ngưng tụ mát hơn sẽ hơi ít hơn, và lượng hơi nước flash được tạo ra sẽ ít hơn. Nếu bẫy hơi trong Ví dụ 14.6.1 xả ngưng tụ ở nhiệt độ thấp hơn 15°C so với nhiệt độ bão hòa hơi, thì nhiệt khả dụng trong ngưng tụ sẽ ít hơn. Ví dụ 14.6.2 Xem xét ngưng tụ xả ở 7 bar g và với 15°C dưới nguội

Do đó, trong ví dụ này, ngưng tụ xả ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bão hòa đã giảm tỷ lệ hơi nước flash từ 13.4% xuống 10.4%. Ngưng tụ có áp suất Ví dụ 14.6.3 Xem xét ngưng tụ trong Ví dụ 14.6.1 xả vào bình flash có áp suất 1 bar g Nếu đường hồi được kết nối với bình ở áp suất 1 bar g, thì có thể thấy từ bảng hơi nước rằng nhiệt tối đa trong ngưng tụ tại xả bẫy hơi sẽ là 505 kJ/kg và entanpi bay hơi ở 1 bar g sẽ là 2201 kJ/kg. Tỷ lệ ngưng tụ bốc hơi ở 1 bar g sau đó có thể được tính như sau:

Trong ví dụ này, nếu thiết bị sử dụng hơi ở 7 bar g đang ngưng tụ 250 kg/h hơi, thì lượng hơi nước flash được giải phóng bởi ngưng tụ ở 1 bar g sẽ là 0.098 x 250 kg/h = 24.5 kg/h hơi nước flash.

Do đó, lượng hơi nước flash được tạo ra có thể phụ thuộc vào loại bẫy hơi được sử dụng, áp suất hơi trước bẫy hơi, và áp suất ngưng tụ sau bẫy hơi.

Bình thu hồi hơi nước flash (bình flash)

Bình flash được sử dụng để tách hơi nước flash theo Chỉ thị Thiết bị Áp suất Châu Âu 97/23/EC. Sau khi ngưng tụ và hơi nước flash đi vào bình flash, ngưng tụ rơi trọng lực xuống đáy bình, từ đó được xả, thông qua bẫy phao, thường đến bộ thu có thông hơi từ đó có thể được bơm. Hơi nước flash trong bình được dẫn từ đỉnh bình đến bất kỳ thiết bị hơi áp suất thấp phù hợp nào.

Tính kích thước bình thu hồi hơi nước flash

Để tính kích thước bình flash, cần có thông tin sau:

• Áp suất hơi trước bẫy hơi cung cấp cho bình.
• Tổng lưu lượng ngưng tụ vào bình flash.
• Áp suất hơi nước flash trong bình flash. Sử dụng thông tin này, cùng với biểu đồ tính kích thước bình flash (xem Hình 14.6.4), kích thước của bình có thể được xác định. Ví dụ 14.6.4 trình bày cách tính kích thước bình flash, sử dụng biểu đồ. Ví dụ 14.6.4 Xác định kích thước bình flash phù hợp với các điều kiện sau: Áp suất lên bẫy hơi là 12 bar g với tổng lưu lượng ngưng tụ 2500 kg/h. Hơi nước flash từ bình sẽ được cung cấp cho thiết bị sử dụng hơi áp suất thấp ở 1 bar g. Phương pháp:

1. Từ trục ‘Áp suất trên bẫy hơi’ ở 12 bar g, di chuyển ngang đến đường cong áp suất hơi nước flash 1 bar g tại điểm A.
2. Hạ xuống theo chiều dọc đến mức lưu lượng ngưng tụ 2500 kg/h, điểm B, và theo đường cong đến điểm C.
3. Di chuyển phải từ điểm C để gặp đường flash 1 bar g tại điểm D.
4. Di chuyển lên trên đến kích thước bình flash và chọn bình. Đối với ví dụ này, bình flash FV8 sẽ được chọn.

Yêu cầu cho ứng dụng hơi nước flash thành công

• Nếu muốn tận dụng tối đa hơi nước flash, một số yêu cầu cơ bản phải được đáp ứng:
• Cần phải có nguồn cung cấp liên tục đủ ngưng tụ từ các ứng dụng hoạt động ở áp suất cao hơn, để đảm bảo rằng đủ hơi nước flash có thể được giải phóng để thu hồi kinh tế.
• Các bẫy hơi và thiết bị chúng đang xả phải có thể hoạt động tốt chống lại áp suất ngược do hệ thống flash tạo ra.
• Phải cẩn thận khi cố gắng thu hồi hơi nước flash với ngưng tụ từ thiết bị kiểm soát nhiệt độ. Ở dưới tải đầy đủ, áp suất không gian hơi sẽ được giảm bởi hành động đóng của van điều khiển hơi. Nếu áp suất hơi trong thiết bị gần hoặc giảm dưới áp suất hơi nước flash đã chỉ định, tổng lượng hơi nước flash hình thành sẽ rất nhỏ, và phải đặt câu hỏi liệu thu hồi có xứng đáng trong trường hợp này không.
• Điều quan trọng là phải có nhu cầu về hơi nước flash áp suất thấp bằng hoặc vượt quá hơi nước flash đang được tạo ra. Bất kỳ sự thiếu hụt hơi nước flash nào có thể được bù đắp bằng hơi nước sống từ van giảm áp. Nếu nguồn cung cấp hơi nước flash vượt quá nhu cầu, áp suất dư sẽ được tạo ra trong hệ thống phân phối hơi nước flash, sau đó sẽ phải được xả ra ngoài thông qua van dư.
• Có thể sử dụng hơi nước flash từ ngưng tụ trên hệ thống sưởi không gian - nhưng tiết kiệm chỉ đạt được trong mùa sưởi. Khi sưởi không cần thiết, hệ thống thu hồi trở nên không hiệu quả. Ở bất kỳ đâu có thể, sắp xếp tốt nhất là sử dụng hơi nước flash từ ngưng tụ quá trình để cung cấp tải quá trình - và hơi nước flash từ ngưng tụ sưởi để cung cấp tải sưởi. Cung và cầu sau đó có nhiều khả năng vẫn đồng bộ.
• Nên sử dụng hơi nước flash gần nguồn ngưng tụ áp suất cao. Các ống đường kính tương đối lớn được sử dụng cho hơi áp suất thấp, để giảm tổn thất áp suất và vận tốc, điều này có thể có nghĩa là lắp đặt tốn kém nếu hơi nước flash phải được dẫn đi bất kỳ khoảng cách nào.

Kiểm soát áp suất hơi nước flash

• Một cân nhắc khác là phương pháp kiểm soát áp suất của hơi nước flash.
• Trong một số trường hợp, áp suất flash sẽ tự tìm mức cân bằng và không cần làm gì thêm. Khi cung và cầu luôn đồng bộ, và đặc biệt nếu hơi áp suất thấp được sử dụng trên cùng thiết bị tạo ra ngưng tụ áp suất cao, chỉ cần dẫn hơi nước flash đến nhà máy áp suất thấp mà không cần bất kỳ kiểm soát nào khác.
• Hình 14.6.5 cho thấy ứng dụng thu hồi hơi nước flash cho bộ sưởi pin khí đa hàng, đang cung cấp khí nóng cho quá trình. Ngưng tụ từ các phần áp suất cao được đưa đến bình flash, từ đó hơi nước flash áp suất thấp được sử dụng, để làm nóng trước khí lạnh đi vào bộ sưởi qua cuộn chống đông (bộ sưởi trước). Diện tích bề mặt của phần bộ sưởi trước, và nhiệt độ tương đối thấp của khí đi vào, sẽ có nghĩa là hơi nước flash áp suất thấp dễ dàng ngưng tụ.

Tùy thuộc vào nhiệt độ hoạt động, hơi nước flash sẽ ngưng tụ ở một áp suất thấp nào đó, thậm chí có thể dưới áp suất khí quyển. Nếu điều kiện và bố cục trang web cho phép, bình flash và bẫy hơi xả bộ sưởi trước nên được đặt đủ xa dưới đầu ra ngưng tụ của bộ sưởi trước để cung cấp đủ cột thủy tĩnh để đẩy ngưng tụ qua bẫy hơi. Nếu điều này không thể, bơm bẫy có thể được sử dụng để xả cả cuộn bộ sưởi trước và bình flash.

Hơi ngưng tụ trong bộ sưởi trước ở áp suất dưới khí quyển thường có nghĩa là cần phải có van phá chân không trên nguồn cung cấp hơi nước flash cho bộ sưởi trước. Điều này sẽ ngăn áp suất trong bộ sưởi giảm dưới áp suất khí quyển, từ đó hỗ trợ dòng ngưng tụ đến bẫy hơi. Xả từ bẫy hơi bộ sưởi trước được tạo ra bởi dòng trọng lực. Hình 14.6.6 cho thấy một ứng dụng nơi hệ thống hơi nước flash được duy trì ở áp suất không đổi đã chỉ định bằng hơi được cung cấp từ van giảm áp. Điều này đảm bảo nguồn cung cấp hơi đáng tin cậy cho hệ thống áp suất thấp nếu thiếu hơi nước flash để đáp ứng tải.

Ứng dụng điển hình cho hơi nước flash

Cung và cầu hơi nước flash đồng bộ Điều này cho phép sử dụng tối đa hơi nước flash có sẵn. Bộ sưởi pin khí đã được thảo luận trong Hình 14.6.5 là một hệ thống như vậy, nhưng các sắp xếp tương tự thực tế với nhiều ứng dụng khác như hệ thống sưởi không gian sử dụng các bảng bức xạ hoặc bộ sưởi đơn vị. Hình 14.6.6 mô tả một hệ thống trong đó một số bộ sưởi được cung cấp hơi áp suất cao. Ngưng tụ từ khoảng 90% bộ sưởi được thu thập và đưa đến bình thu hồi flash. Điều này cung cấp hơi áp suất thấp cho 10% bộ sưởi còn lại. Với hệ thống này, tổng công suất nhiệt của hệ thống bị giảm nhẹ, vì 10% bộ sưởi đang hoạt động ở áp suất hơi thấp hơn. Tuy nhiên, hiếm khi tìm thấy hệ thống nào không có đủ dư lượng đầu ra trên tải bình thường để chấp nhận sự giảm nhỏ này. Đôi khi xảy ra vấn đề nơi việc sử dụng hơi nước flash có sẵn có thể cần nhiều hơn một bộ sưởi nhưng ít hơn hai. Sẽ tốt hơn trong trường hợp này kết nối hai bộ sưởi với nguồn cung cấp hơi nước flash, thay vì xả hơi nước flash dư thừa ra ngoài. Hai bộ sưởi cùng nhau thường sẽ kéo áp suất flash xuống mức thấp hơn, thậm chí có thể dưới mức khí quyển. Để đối phó với điều này, nguồn cung cấp hơi nước flash có thể được bổ sung bằng hơi nước sống từ van giảm áp.

Một ví dụ khác mà cung và cầu ‘đồng bộ’ là bình trữ nước nóng sưởi bằng hơi nước. Một số trong các bình này tích hợp cuộn thứ hai, được lắp gần đáy bình, liền kề nơi nước cấp lạnh đi vào.

Ngưng tụ và hơi nước flash từ bẫy hơi trên cuộn sơ cấp được truyền trực tiếp đến cuộn thứ cấp. Ở đây, bất kỳ hơi nước flash nào được tạo ra bởi sự giảm áp suất qua bẫy hơi sẽ ngưng tụ, trong khi truyền nhiệt cho nước cấp. Một sắp xếp điển hình được thể hiện trong Hình 14.6.7.

Một ví dụ khác của ý tưởng này được thể hiện trong Hình 14.6.8. Ở đây, một bình trao đổi nhiệt nước nóng hơi nước bình thường xả ngưng tụ qua bẫy phao đến bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống nhỏ hơn (gọi là bộ ngưng tụ flash), trong đó hơi nước flash được ngưng tụ thành ngưng tụ dưới nguội. Thiết bị được lắp sao cho đường ống dòng thứ cấp nối tiếp với cả bình nóng và bộ ngưng tụ. Điều này cho phép nước hồi thứ cấp được làm nóng trước bởi bộ ngưng tụ, từ đó giảm nhu cầu hơi nước sống trong trường hợp đầu tiên.

Nếu ngưng tụ trong bộ ngưng tụ flash có thể ở dưới áp suất khí quyển, cần có bơm cơ khí để nâng ngưng tụ lên bất kỳ đường hồi cao hơn nào. Hơi động lực thoát ra từ bơm bản thân nó ngưng tụ trong bộ ngưng tụ flash. Việc bơm ngưng tụ sau đó được thực hiện với chi phí gần như bằng không. Cần phải xem xét cột cấp đầy bơm ở chỗ nó cần lớn hơn tổn thất áp suất qua các ống bộ ngưng tụ flash trong điều kiện tải đầy đủ. Cột tối thiểu 600 mm thường sẽ đạt được điều này.

Cung và cầu hơi nước flash không đồng bộ Sắp xếp trong Hình 14.6.9 là ví dụ về thu hồi hơi nước flash nơi cung và cầu không phải lúc nào cũng ‘đồng bộ’. Ngưng tụ từ ba chảo jacket và một túi thoát nước giải phóng hơi nước flash, nhưng nó chỉ có thể được sử dụng để bổ sung nguồn cung cấp hơi cho hệ thống sưởi không gian. Điều này hoàn toàn hài lòng trong mùa sưởi, miễn là tải sưởi vượt quá sự sẵn có của hơi nước flash. Trong mùa hè, thiết bị sưởi sẽ không được sử dụng, và thậm chí trong mùa xuân và mùa thu, tải sưởi có thể không thể sử dụng tất cả hơi nước flash có sẵn. Sắp xếp không phải là lý tưởng, mặc dù hoàn toàn có thể cho việc tiết kiệm hơi thực hiện trong mùa đông để biện minh cho chi phí thiết bị thu hồi hơi nước flash. Đôi khi, hơi nước flash dư thừa phải được xả ra khí quyển, và, như đã chỉ ra, van dư phù hợp hơn cho mục đích này so với van an toàn, thường có hành động ‘bật’ hoặc ‘bật/tắt’ và sắp xếp ghế được thiết kế cho hoạt động không thường xuyên. Van dư sẽ được đặt để nó bắt đầu mở hơi trên áp suất bình thường trong hệ thống. Khi tải sưởi giảm và áp suất trong hệ thống bắt đầu tăng, van giảm áp cung cấp hơi bù đóng lại. Một sự tăng áp suất thêm, có thể từ 0.15 đến 0.2 bar, sau đó được cho phép trước khi van dư bắt đầu mở để giải phóng hơi nước flash dư thừa. Van an toàn vẫn có thể được yêu cầu nếu van dư bị lỗi. Nó phải được đặt để mở ở áp suất giữa áp suất đặt van dư và áp suất thiết kế hệ thống. Thường thuận tiện để lắp van an toàn trên bình flash. Đôi khi, trong điều kiện mùa hè có thể tốt hơn nếu bypass hệ thống flash bằng van thủ công (không được thể hiện trong Hình 14.6.9). Ngưng tụ và hơi nước flash liên quan sau đó sẽ đi trực tiếp đến bộ thu ngưng tụ, nơi hơi nước flash sẽ được xả ra khí quyển.

Ứng dụng thu hồi nhiệt xả lò hơi Xả liên tục nước lò hơi là cần thiết để kiểm soát mức TDS (Tổng Chất Rắn Hòa Tan) trong lò hơi. Xả liên tục phù hợp để thu hồi nhiệt của nước xả và có thể cho phép tiết kiệm đáng kể. Nước xả lò hơi chứa khối lượng nhiệt khổng lồ, có thể dễ dàng được thu hồi dưới dạng hơi nước flash. Sau khi đi qua van kiểm soát xả, nước áp suất thấp hơn chảy đến bình flash. Tại thời điểm này, hơi nước flash không bị ô nhiễm và được tách khỏi ngưng tụ, và có thể được sử dụng để làm nóng bể cấp lò hơi (xem Hình 14.6.10). Ngưng tụ dư xả từ bình flash có thể được đưa qua bộ trao đổi nhiệt tấm để thu hồi nhiệt nhiều nhất có thể trước khi bị xả ra ngoài. Lên đến 80% tổng nhiệt chứa trong xả liên tục lò hơi có thể được thu hồi theo cách này.

Ngưng tụ phun Cuối cùng, nên xem xét các trường hợp mà hơi nước flash không thể tránh khỏi được tạo ra ở áp suất thấp, nhưng không có tải phù hợp nào có sẵn để sử dụng nó. Thay vì đơn giản xả hơi nước flash ra ngoài, sắp xếp trong Hình 14.6.11 thường có thể được áp dụng. Sắp xếp này có thể hữu ích khi lỗ thông bộ thu ngưng tụ không thể được dẫn ra ngoài, và khi sự hiện diện của hơi nước flash sẽ bất lợi nếu để xả trong phòng nhà máy. Một buồng thép không gỉ nhẹ được lắp vào lỗ thông bình thu. Nước lạnh được phun vào buồng với số lượng đủ chỉ để ngưng tụ hơi nước flash. Lưu lượng nước làm mát được kiểm soát bằng kiểm soát nhiệt độ tự hành đơn giản, điều chỉnh để lượng hơi nước flash tối thiểu xuất hiện từ lỗ thông. Quá trình sẽ sử dụng khoảng 6 kg nước làm mát cho mỗi kg hơi nước flash ngưng tụ. Nếu nước làm mát có chất lượng cấp lò hơi, thì nước ấm được thêm vào ngưng tụ trong bộ thu và được tái sử dụng. Điều này sẽ tiếp tục tạo ra tiết kiệm nước quanh năm. Nếu nước làm mát không phù hợp để thu hồi, đường ống phun có thể được lắp như thể hiện bằng sắp xếp đường chấm. Nước làm mát và hơi flash ngưng tụ sau đó sẽ rơi ra ngoài.