Giới thiệu về Phân phối Hơi nước

Một hệ thống phân phối hơi nước hiệu quả là điều cần thiết để cung cấp hơi nước với chất lượng và áp suất phù hợp, đúng lưu lượng, cho các thiết bị sử dụng hơi. Bài học này xem xét một mạch điển hình.

Giới thiệu về Phân phối Hơi nước

Hệ thống phân phối hơi nước là mối liên kết thiết yếu giữa bộ phát sinh hơi và thiết bị sử dụng hơi. Chương này sẽ xem xét các phương pháp vận chuyển hơi nước từ nguồn trung tâm đến điểm sử dụng. Nguồn trung tâm có thể là nhà lò hơi hoặc đầu ra của nhà máy phát điện đồng phát. Lò hơi có thể đốt nhiên liệu sơ cấp, hoặc là lò hơi thu hồi nhiệt thừa sử dụng khí thải từ các quy trình nhiệt độ cao, động cơ hoặc thậm chí lò đốt rác. Dù nguồn là gì, một hệ thống phân phối hơi nước hiệu quả là điều cần thiết để cung cấp hơi nước với chất lượng và áp suất phù hợp, đúng lưu lượng, cho các thiết bị sử dụng hơi. Lắp đặt và bảo trì hệ thống hơi nước là những vấn đề quan trọng và phải được xem xét trong giai đoạn thiết kế.

Cơ bản về hệ thống hơi nước

Ngay từ đầu, cần phải hiểu mạch hơi nước cơ bản, hay ‘vòng tuần hoàn hơi và ngưng tụ’ - xem Hình 10.1.1. Khi hơi nước ngưng tụ trong quy trình, dòng chảy được tạo ra trong ống cung cấp. Ngưng tụ có thể tích rất nhỏ so với hơi nước, và điều này gây ra giảm áp suất, khiến hơi nước chảy qua các đường ống.

Hơi nước được tạo ra trong lò hơi phải được vận chuyển qua hệ thống ống đến nơi cần năng lượng nhiệt. Ban đầu sẽ có một hoặc nhiều ống chính, hay ‘đường ống hơi chính’, mang hơi nước từ lò hơi đi theo hướng chung đến các thiết bị sử dụng hơi. Các ống nhánh nhỏ hơn sau đó có thể mang hơi nước đến từng thiết bị riêng lẻ.

Khi van cô lập chính của lò hơi (thường được gọi là van ‘crown’) được mở, hơi nước ngay lập tức đi từ lò hơi vào và dọc theo đường ống hơi chính đến các điểm có áp suất thấp hơn.

Hệ thống ống ban đầu mát hơn hơi nước, vì vậy nhiệt được truyền từ hơi nước vào ống.

Không khí xung quanh ống cũng mát hơn hơi nước, vì vậy hệ thống ống sẽ bắt đầu truyền nhiệt ra không khí.

Hơi nước tiếp xúc với ống mát hơn sẽ bắt đầu ngưng tụ ngay lập tức. Khi khởi động hệ thống, tốc độ ngưng tụ sẽ ở mức tối đa, vì đây là lúc chênh lệch nhiệt độ giữa hơi nước và hệ thống ống là lớn nhất. Tốc độ ngưng tụ này thường được gọi là ‘tải khởi động’. Khi hệ thống ống đã nóng lên, chênh lệch nhiệt độ giữa hơi nước và hệ thống ống là rất nhỏ, nhưng vẫn sẽ xảy ra một số ngưng tụ vì hệ thống ống vẫn tiếp tục truyền nhiệt ra không khí xung quanh. Tốc độ ngưng tụ này thường được gọi là ‘tải vận hành’.

Ngưng tụ hình thành (nước ngưng tụ) rơi xuống đáy ống và được dòng hơi vận chuyển đi, được hỗ trợ bởi trọng lực, do độ dốc trong đường ống hơi chính được bố trí để dốc theo hướng dòng chảy hơi. Nước ngưng tụ sau đó sẽ phải được xả từ các điểm chiến lược khác nhau trên đường ống hơi chính.

Khi van trên đường ống hơi phục vụ một thiết bị sử dụng hơi được mở, hơi nước từ hệ thống phân phối đi vào thiết bị và lại tiếp xúc với các bề mặt mát hơn. Hơi nước sau đó truyền năng lượng để làm nóng thiết bị và sản phẩm (tải khởi động), và khi đạt đến nhiệt độ, tiếp tục truyền nhiệt cho quy trình (tải vận hành).

Bây giờ có nguồn cung cấp hơi liên tục từ lò hơi để đáp ứng tải kết nối và để duy trì nguồn cung này, nhiều hơi nước hơn phải được tạo ra. Để làm điều này, nhiều nước hơn (và nhiên liệu để đun nóng nước này) được cung cấp cho lò hơi để bù cho lượng nước đã bay hơi thành hơi nước trước đó.

Nước ngưng tụ hình thành trong cả hệ thống ống phân phối hơi và trong thiết bị quy trình là nguồn cung cấp nước cấp lò hơi nóng có thể sử dụng được. Mặc dù quan trọng là phải loại bỏ nước ngưng tụ khỏi không gian hơi, nhưng nó là một sản phẩm có giá trị và không nên để lãng phí. Trả lại tất cả nước ngưng tụ về bể cấp lò hơi sẽ đóng vòng tuần hoàn hơi cơ bản và nên được thực hiện bất cứ khi nào có thể. Việc trả nước ngưng tụ về lò hơi được thảo luận thêm trong Khối 13, ‘Loại bỏ Ngưng tụ’, và Khối 14, ‘Quản lý Ngưng tụ’.

Áp suất làm việc

Áp suất phân phối hơi nước bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, nhưng bị giới hạn bởi:

• Áp suất làm việc an toàn tối đa của lò hơi.
• Áp suất tối thiểu cần thiết tại nhà máy. Khi hơi nước đi qua hệ thống ống phân phối, nó sẽ不可避免地 mất áp suất do:
• Sức cản ma sát trong hệ thống ống (được mô tả chi tiết trong Chương 10.2).
• Ngưng tụ trong hệ thống ống khi nhiệt được truyền ra môi trường. Do đó cần tính đến tổn thất áp suất này khi quyết định áp suất phân phối ban đầu. Một kg hơi nước ở áp suất cao hơn chiếm ít thể tích hơn so với ở áp suất thấp hơn. Theo đó, nếu hơi nước được tạo ra trong lò hơi ở áp suất cao và cũng được phân phối ở áp suất cao, kích thước đường ống chính phân phối sẽ nhỏ hơn so với hệ thống áp suất thấp cho cùng tải nhiệt. Hình 10.1.2 minh họa điểm này.

Tạo và phân phối hơi nước ở áp suất cao hơn mang lại ba ưu điểm quan trọng:

• Dung tích trữ nhiệt của lò hơi được tăng lên, giúp xử lý hiệu quả hơn với tải biến động, giảm thiểu nguy cơ tạo ra hơi nước ướt và bẩn.
• Cần đường ống chính có đường kính nhỏ hơn, dẫn đến chi phí vốn thấp hơn cho vật liệu như ống, mặt bích, giá đỡ, vật liệu cách nhiệt và nhân công.
• Đường ống chính có đường kính nhỏ hơn chi phí cách nhiệt thấp hơn Sau khi phân phối ở áp suất cao, sẽ cần giảm áp suất hơi nước cho từng khu vực hoặc điểm sử dụng trong hệ thống để phù hợp với áp suất tối đa mà ứng dụng yêu cầu. Giảm áp suất cục bộ để phù hợp với từng thiết bị riêng lẻ cũng sẽ dẫn đến hơi nước khô hơn tại điểm sử dụng. (Chương 2.3 cung cấp giải thích về điều này). Lưu ý: Đôi khi người ta nghĩ rằng vận hành lò hơi hơi nước ở áp suất thấp hơn áp suất định mức sẽ tiết kiệm nhiên liệu. Logic này dựa trên việc cần nhiều nhiên liệu hơn để tạo hơi ở áp suất cao hơn. Mặc dù có một phần đúng trong logic này, cần nhớ rằng chính là tải kết nối, chứ không phải công suất lò hơi, quyết định tốc độ sử dụng năng lượng. Lượng năng lượng như nhau được tải sử dụng dù lò hơi tạo hơi ở 4 bar g, 10 bar g hay 100 bar g. Các tổn thất chờ, tổn thất khói, và tổn thất vận hành tăng lên khi hoạt động ở áp suất cao hơn, nhưng những tổn thất này được giảm bớt bằng cách cách nhiệt và hệ thống trả ngưng tụ đúng cách. Những tổn thất này là không đáng kể so với lợi ích của việc phân phối hơi nước ở áp suất cao.

Giảm áp suất

Phương pháp phổ biến để giảm áp suất tại điểm sử dụng hơi nước là sử dụng van giảm áp, tương tự như van được hiển thị trong trạm giảm áp Hình 10.1.3.

Một bộ tách được lắp ở thượng lưu van giảm áp để loại bỏ nước mang theo từ hơi nước ướt đầu vào, từ đó đảm bảo hơi nước chất lượng cao đi qua van giảm áp. Điều này được thảo luận chi tiết hơn trong Chương 9.3 và Chương 12.5.

Thiết bị hạ lưu van giảm áp được bảo vệ bởi van an toàn. Nếu van giảm áp bị hỏng, áp suất hạ lưu có thể tăng vượt quá áp suất làm việc tối đa cho phép của thiết bị sử dụng hơi. Điều này, lần lượt, có thể gây hư hỏng vĩnh viễn cho thiết bị và quan trọng hơn, gây nguy hiểm cho nhân viên. Khi được trang bị van an toàn, bất kỳ áp suất dư thừa nào được xả qua van, và sẽ ngăn điều này xảy ra (van an toàn được thảo luận trong Khối 9). Các thành phần khác bao gồm trong trạm van giảm áp là:

• Van cô lập sơ cấp - Để tắt hệ thống để bảo trì.
• Đồng hồ áp suất sơ cấp - Để giám sát tính toàn vẹn của nguồn cung.
• Bộ lọc - Để giữ hệ thống sạch.
• Đồng hồ áp suất thứ cấp - Để cài đặt và giám sát áp suất hạ lưu.
• Van cô lập thứ cấp - Để hỗ trợ cài đặt áp suất hạ lưu trong điều kiện không tải.