Đường Ống Hơi Chính và Thoát nước

Các vấn đề liên quan đến cấu trúc, bố cục và vận hành của hệ thống phân phối hơi nước, bao gồm điểm xả ngưng tụ và đường nhánh, tránh búa nước và sử dụng bộ tách và bộ lọc cho điều kiện hơi nước.

Giới thiệu về Đường Ống Hơi Chính và Thoát nước

Dọc theo chiều dài đường ống hơi nóng chính, một lượng nhiệt sẽ được truyền ra môi trường, và điều này phụ thuộc vào các thông số được xác định trong Khối 2 - ‘Kỹ thuật Hơi và Truyền nhiệt’, và được kết hợp trong Phương trình 2.5.1.

Với hệ thống hơi, tổn thất năng lượng này thể hiện sự kém hiệu quả, và do đó ống được cách nhiệt để giới hạn những tổn thất này. Dù chất lượng hay chiều dày cách nhiệt như thế nào, luôn có một mức tổn thất nhiệt, và điều này sẽ khiến hơi nước ngưng tụ dọc theo chiều dài đường ống chính.

Ảnh hưởng của cách nhiệt được thảo luận trong Chương 10.5. Chương này sẽ tập trung vào việc xử lý nước ngưng tụ tất yếu, mà nếu không được loại bỏ sẽ tích tụ và dẫn đến các vấn đề như ăn mòn, xói mòn và búa nước.

Ngoài ra, hơi nước sẽ trở nên ướt khi nó hút các giọt nước, làm giảm khả năng truyền nhiệt. Nếu nước được phép tích tụ, tiết diện hiệu quả của ống bị giảm, và vận tốc hơi có thể tăng vượt quá giới hạn khuyến nghị.

Bố cục đường ống

Thực hành kỹ thuật tốt là, bất cứ khi nào có thể, đường ống chính nên được lắp đặt với độ dốc không nhỏ hơn 1:100 (dốc 1 m cho mỗi 100 m chạy), theo hướng dòng chảy hơi. Độ dốc này sẽ đảm bảo rằng trọng lực, cũng như dòng chảy hơi, sẽ hỗ trợ di chuyển nước ngưng tụ về phía các điểm xả nơi nước ngưng tụ có thể được loại bỏ an toàn và hiệu quả (Xem Hình 10.3.1).

Điểm xả

Điểm xả phải đảm bảo rằng nước ngưng tụ có thể đến được bẫy hơi. Do đó, phải xem xét cẩn thận thiết kế và vị trí của các điểm xả.

Cũng phải xem xét nước ngưng tụ còn lại trong đường ống hơi chính khi tắt, khi dòng hơi dừng lại. Trọng lực sẽ đảm bảo rằng nước (ngưng tụ) sẽ chảy dọc theo hệ thống ống dốc và tập trung tại các điểm thấp trong hệ thống. Bẫy hơi do đó nên được lắp tại các điểm thấp này.

Lượng nước ngưng tụ hình thành trong đường ống hơi lớn trong điều kiện khởi động đủ để yêu cầu cung cấp các điểm xả ở khoảng cách 30 m đến 50 m, cũng như các điểm thấp tự nhiên như ở đáy ống đứng.

Trong hoạt động bình thường, hơi nước có thể chảy dọc theo đường ống chính ở tốc độ lên đến 145 km/h, kéo nước ngưng tụ theo cùng. Hình 10.3.2 cho thấy ống xả 15 mm được kết nối trực tiếp vào đáy đường ống chính.

Mặc dù ống 15 mm có đủ công suất, khó có thể thu được nhiều nước ngưng tụ đang di chuyển dọc theo đường ống chính ở tốc độ cao. Bố trí này sẽ không hiệu quả.

Một giải pháp đáng tin cậy hơn cho việc loại bỏ nước ngưng tụ được hiển thị trong Hình 10.3.3. Đường bẫy hơi phải ít nhất 25 đến 30 mm từ đáy túi đối với đường ống hơi chính đến 100 mm, và ít nhất 50 mm đối với đường ống lớn hơn. Điều này cho phép không gian bên dưới để bất kỳ bụi bẩn và cặn nào lắng xuống.

Đáy túi có thể được trang bị mặt bích có thể tháo rời hoặc van xả đáy cho mục đích vệ sinh.

Kích thước túi xả khuyến nghị được hiển thị trong Bảng 10.3.1 và trong Hình 10.3.4.

Bảng 10.3.1 Kích thước túi xả khuyến nghị

Búa nước và tác động của nó

Búa nước là tiếng ồn do các khối nước ngưng tụ va chạm ở tốc độ cao vào phụ kiện ống, thiết bị và máy móc. Điều này có một số hệ quả:

• Vì vận tốc nước ngưng tụ cao hơn bình thường, tiêu tán động năng cao hơn mức thường được mong đợi.
• Nước đặc và không thể nén, vì vậy hiệu ứng ‘giảm xóc’ khi khí gặp vật cản không có.
• Năng lượng trong nước được tiêu tán vào các vật cản trong hệ thống ống như van và phụ kiện.

Các dấu hiệu của búa nước bao gồm tiếng gõ, và có thể di chuyển của ống.

Trong trường hợp nghiêm trọng, búa nước có thể gãy thiết bị đường ống với hiệu ứng gần như nổ, với hậu quả mất hơi sống tại chỗ gãy, dẫn đến tình huống cực kỳ nguy hiểm.

Thiết kế kỹ thuật tốt, lắp đặt và bảo trì sẽ tránh búa nước; đây là thực hành tốt hơn nhiều so với cố gắng chứa nó bằng cách chọn vật liệu và xếp hạng áp suất của thiết bị.

Thông thường, nguồn búa nước xảy ra tại các điểm thấp trong hệ thống ống (Xem Hình 10.3.6). Các khu vực như vậy là do:

• Xệ đường ống, có thể do hỏng giá đỡ.
• Sử dụng sai bộ giảm đồng tâm (xem Hình 10.3.7) - Luôn sử dụng bộ giảm lệch tâm với mặt phẳng ở đáy.
• Lắp đặt bộ lọc sai - Chúng nên được lắp với giỏ ở bên hông.
• Thoát nước không đầy đủ cho đường ống hơi.
• Vận hành sai - Mở van quá nhanh khi khởi động khi ống lạnh.

Tóm lại, khả năng búa nước được giảm thiểu bằng cách:

• Lắp đặt đường ống hơi với độ dốc dần theo hướng dòng chảy, và với các điểm xả được lắp ở khoảng cách đều và tại các điểm thấp.
• Lắp đặt van kiểm tra sau tất cả các bẫy hơi mà nếu không sẽ cho phép nước ngưng tụ chảy ngược vào đường ống hơi hoặc thiết bị trong thời gian tắt.
• Mở van cô lập từ từ để cho phép bất kỳ nước ngưng tụ nào có thể nằm trong hệ thống chảy nhẹ nhàng qua các bẫy xả, trước khi bị hơi nước tốc độ cao hút lên. Điều này đặc biệt quan trọng khi khởi động.

Các đường nhánh thường ngắn hơn nhiều so với đường ống hơi chính. Theo quy tắc chung, miễn là đường nhánh không dài hơn 10 mét, và áp suất trong đường ống chính đầy đủ, có thể định cỡ ống dựa trên vận tốc 25 đến 40 m/s, và không cần lo lắng về giảm áp suất.

Bảng 10.2.4 ‘Công suất đường ống hơi bão hòa cho các vận tốc khác nhau’ trong Chương 10.2 sẽ hữu ích trong bài tập này.

Kết nối đường nhánh

Các kết nối đường nhánh lấy từ phía trên đường ống chính mang hơi nước khô nhất (Hình 10.3.8). Nếu kết nối lấy từ bên hông, hoặc tệ hơn từ đáy (như trong Hình 10.3.9 (a)), chúng có thể nhận nước ngưng tụ và mảnh vụn từ đường ống hơi chính. Kết quả là hơi nước rất ướt và bẩn đến thiết bị, sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất trong cả ngắn hạn và dài hạn.

Van trong Hình 10.3.9 (b) nên được đặt càng gần điểm lấy càng tốt để giảm thiểu nước ngưng tụ nằm trong đường nhánh, nếu thiết bị có thể bị tắt trong thời gian dài.

Ống tụ

Các điểm thấp cũng sẽ xảy ra trong đường nhánh. Phổ biến nhất là ống tụ gần van cô lập hoặc van điều khiển (Hình 10.3.10). Nước ngưng tụ có thể tích tụ ở phía thượng lưu van đóng, và sau đó được đẩy về phía trước cùng hơi nước khi van mở lại - do đó một điểm xả với bẫy hơi là thực hành tốt ngay trước bộ lọc và van điều khiển.

Địa hình dốc và thoát nước

Có nhiều trường hợp đường ống hơi chính phải chạy qua địa hình dốc, hoặc các ứng dụng nơi đường viền của mặt bằng khiến việc đặt ống với độ dốc 1:100 đề xuất trước đó là không khả thi. Trong những tình huống này, nước ngưng tụ phải được khuyến khích chảy xuống dốc và ngược dòng hơi. Thực hành tốt là định cỡ ống dựa trên vận tốc hơi thấp không quá 15 m/s, chạy đường ống với độ dốc không dưới 1:40, và lắp các điểm xả ở khoảng cách không quá 15 mét (xem Hình 10.3.11).

Mục tiêu là ngăn màng nước ngưng tụ ở đáy ống tăng độ dày đến mức giọt nước có thể bị dòng hơi hút lên.

Bộ tách hơi

Lò hơi hơi nước đóng gói hiện đại có công suất bay hơi lớn so với kích thước và có công suất hạn chế để đối phó với tải thay đổi nhanh. Ngoài ra, như đã thảo luận trong Khối 3 ‘Nhà Lò hơi’, các hoàn cảnh khác, chẳng hạn như …

• Xử lý nước cấp hóa học không đúng và/hoặc kiểm soát TDS
• Tải đỉnh tạm thời ở các phần khác của nhà máy … có thể gây ra sôi trào và mang theo nước lò hơi vào đường ống hơi chính.

Bộ tách, như được hiển thị bởi phần cắt trong Hình 10.3.12, có thể được lắp để loại bỏ nước này.

Theo quy tắc chung, miễn là vận tốc trong hệ thống ống nằm trong giới hạn hợp lý, bộ tách sẽ được chọn theo kích thước đường ống. (Bộ tách được thảo luận chi tiết trong Chương 12.5)

Bộ tách sẽ loại bỏ cả giọt nước từ thành ống và sương mù treo lơ lửng mang theo trong chính hơi nước. Sự hiện diện và tác động của búa nước có thể được loại bỏ bằng cách lắp bộ tách trong đường ống hơi chính, và thường có thể ít tốn kém hơn so với tăng kích thước ống và chế tạo túi xả.

Bộ tách được khuyến nghị trước van điều khiển và đồng hồ đo lưu lượng. Cũng nên lắp bộ tách nơi đường ống hơi chính đi vào tòa nhà từ bên ngoài. Điều này sẽ đảm bảo rằng bất kỳ nước ngưng tụ nào được tạo ra trong hệ thống phân phối bên ngoài được loại bỏ và tòa nhà luôn nhận được hơi nước khô. Điều này cũng quan trọng như nhau nơi tiêu thụ hơi trong tòa nhà được giám sát và tính phí.

Bộ lọc

Khi hệ thống ống mới được lắp đặt, không hiếm khi các mảnh cát đúc, vật liệu làm kín, mối nối, phoi hàn, que hàn và thậm chí đai ốc và bu lông bị vô tình đặt bên trong ống. Trong trường hợp hệ thống ống cũ, sẽ có gỉ sét, và ở vùng nước cứng, cặn carbonate. Đôi khi, các mảnh sẽ vỡ ra và đi dọc theo hệ thống ống cùng hơi nước để nằm bên trong thiết bị sử dụng hơi. Điều này có thể, ví dụ, ngăn van mở/đóng đúng cách. Thiết bị sử dụng hơi cũng có thể bị hư hỏng vĩnh viễn qua xói mòn rãnh - hành động cắt của hơi nước và nước tốc độ cao đi qua van mở một phần. Khi xói mòn rãnh đã xảy ra, van sẽ không bao giờ đóng kín, ngay cả khi bụi bẩn được loại bỏ.

Do đó, nên lắp bộ lọc kích thước đường ống trước mỗi bẫy hơi, đồng hồ đo lưu lượng, van giảm áp và van điều tiết. Minh họa được hiển thị trong Hình 10.3.13 cho thấy phần cắt qua bộ lọc điển hình.

Hơi nước chảy từ đầu vào ‘A’ qua lưới thủng ‘B’ đến đầu ra ‘C’. Trong khi hơi nước và nước sẽ đi qua lưới dễ dàng, bụi bẩn thì không. Nắp ‘D’ có thể được tháo ra, cho phép lưới được rút ra và vệ sinh định kỳ. Van xả đáy cũng có thể được lắp vào nắp ‘D’ để tạo điều kiện vệ sinh định kỳ.

Tuy nhiên, bộ lọc có thể là nguồn hơi nước ướt như đã đề cập trước đó. Để tránh tình huống này, bộ lọc luôn nên được lắp trong đường ống hơi với giỏ ở bên hông.

Bộ lọc và chi tiết lưới được thảo luận trong Chương 12.4.

Cách thoát nước đường ống hơi chính

Bẫy hơi là phương pháp hiệu quả và tiết kiệm nhất để xả nước ngưng tụ từ hệ thống phân phối hơi nước.

Các bẫy hơi được chọn phải phù hợp với hệ thống về:

• Xếp hạng áp suất
• Công suất
• Sự phù hợp Xếp hạng áp suất

Xếp hạng áp suất được xử lý dễ dàng; áp suất làm việc tối đa có thể tại bẫy hơi sẽ được biết hoặc nên được xác định.

Công suất

Công suất, tức là lượng nước ngưng tụ cần được xả, cần được chia thành hai loại; tải khởi động và tải vận hành.

Tải khởi động

Trước tiên, hệ thống ống cần được đưa lên nhiệt độ làm việc. Điều này có thể được xác định bằng phép tính, biết khối lượng và nhiệt riêng của hệ thống ống và phụ kiện. Ngoài ra, Bảng 10.3.2 có thể được sử dụng.

• Bảng cho thấy lượng nước ngưng tụ được tạo ra khi đưa 50 m đường ống hơi chính lên nhiệt độ làm việc; 50 m là khoảng cách tối đa khuyến nghị giữa các điểm bẫy.
• Các giá trị hiển thị tính bằng kg. Để xác định tốc độ ngưng tụ trung bình, thời gian cho quy trình phải được xem xét. Ví dụ, nếu quy trình khởi động yêu cầu 50 kg hơi, và mất 20 phút, thì tốc độ ngưng tụ trung bình sẽ là:

• Khi sử dụng các công suất này để định cỡ bẫy hơi, đáng lưu ý rằng áp suất ban đầu trong đường ống chính sẽ không hơn nhiều so với áp suất khí quyển khi quy trình khởi động bắt đầu. Tuy nhiên, tải ngưng tụ vẫn sẽ nằm trong công suất của bẫy hơi ‘công suất thấp’ DN15. Chỉ trong các ứng dụng hiếm ở áp suất rất cao (trên 70 bar g), kết hợp với kích thước ống lớn, mới cần công suất bẫy hơi lớn hơn.

Tải Vận hành

Khi đường ống hơi chính đã đạt nhiệt độ làm việc, tốc độ ngưng tụ chủ yếu là hàm của kích thước ống và chất lượng cũng như chiều dày cách nhiệt.

Đối với phương pháp chính xác để tính toán tổn thất vận hành từ đường ống hơi chính, tham khảo Chương 2.12 ‘Tiêu thụ hơi của ống và bộ sưởi không khí’. Ngoài ra, để xấp xỉ nhanh tải vận hành, Bảng 10.3.3 có thể được sử dụng cho thấy lượng hơi ngưng tụ điển hình mỗi giờ trên 50 m đường ống hơi cách nhiệt ở các áp suất khác nhau.

Bảng 10.3.2 Lượng hơi ngưng tụ để khởi động 50 m ống lịch trình 40 (kg) Lưu ý: Các số liệu dựa trên nhiệt độ môi trường 20°C, và hiệu suất cách nhiệt 80%

(Tables preserved as-is with technical data)

Bảng 10.3.3 Tốc độ ngưng tụ của hơi trong 50 m ống lịch trình 40 - ở nhiệt độ làm việc (kg/h) Lưu ý: Các số liệu dựa trên nhiệt độ môi trường 20°C, và hiệu suất cách nhiệt 80%

(Tables preserved as-is with technical data)

Sự phù hợp

Bẫy xả đường ống chính nên xem xét các ràng buộc sau:

• Nhiệt độ xả - Bẫy hơi nên xả ở, hoặc rất gần nhiệt độ bão hòa, trừ khi chân làm mát được sử dụng giữa điểm xả và bẫy. Điều này có nghĩa là lựa chọn là loại bẫy cơ học (như loại phao, xô đảo ngược, hoặc bẫy nhiệt động).
• Hư hại do sương giá - Nơi đường ống hơi chính nằm ngoài tòa nhà và có khả năng nhiệt độ môi trường dưới 0, bẫy hơi nhiệt động là lý tưởng, vì nó không bị hư hại do sương giá. Ngay cả khi lắp đặt khiến nước còn lại trong bẫy khi tắt và đóng băng xảy ra, bẫy nhiệt động có thể được rã đông mà không bị hư hại khi được đưa trở lại sử dụng.
• Búa nước - Trong quá khứ, trên các lắp đặt bố trí kém nơi búa nước thường xuyên xảy ra, bẫy phao không phải lúc nào cũng lý tưởng do tính dễ bị hư hại phao. Thiết kế và kỹ thuật sản xuất hiện đại hiện tạo ra các đơn vị cực kỳ chắc chắn cho mục đích thoát nước đường ống chính. Bẫy phao chắc chắn là lựa chọn đầu tiên cho các bộ tách thương mại vì công suất cao dễ dàng đạt được, và chúng có khả năng phản ứng nhanh với tăng tải đột ngột. Bẫy hơi được sử dụng để xả nước ngưng tụ từ đường ống hơi chính, được hiển thị trong Hình 10.3.14. Bẫy nhiệt được bao gồm vì nó lý tưởng khi không có lựa chọn nào khác ngoài xả nước ngưng tụ vào đường trả ngưng tụ ngập nước.

Chủ đề về bẫy hơi được xử lý chi tiết trong Khối 11, ‘Bẫy hơi’.

Rò rỉ Hơi

Hơi nước rò rỉ từ hệ thống ống thường bị bỏ qua. Rò rỉ có thể tốn kém về cả kinh tế lẫn môi trường và do đó cần được xử lý kịp thời để đảm bảo hệ thống hơi hoạt động ở hiệu suất tối ưu với tác động tối thiểu đến môi trường.

Hình 10.3.15 minh họa tổn thất hơi cho các kích thước lỗ khác nhau ở các áp suất khác nhau. Tổn thất này có thể dễ dàng chuyển đổi thành tiết kiệm nhiên liệu dựa trên giờ vận hành hàng năm.

Tóm tắt

Bố trí ống và thoát nước đúng cách có nghĩa là tuân theo một số quy tắc đơn giản:

• Đường ống hơi nên được bố trí để dốc theo hướng dòng chảy, không dưới 100 mm mỗi 10 mét ống (1:100). Đường ống hơi đi lên theo hướng dòng chảy nên dốc không dưới 250 mm mỗi 10 mét ống (1:40).
• Đường ống hơi nên được xả ở khoảng cách đều 30-50 m và tại bất kỳ điểm thấp nào trong hệ thống.
• Khi thoát nước phải được cung cấp trong các đoạn ống thẳng, thì túi đường kính lớn nên được sử dụng để thu nước ngưng tụ.
• Nếu bộ lọc được lắp, thì chúng nên được lắp nghiêng.
• Kết nối nhánh luôn nên được lấy từ phía trên đường ống chính từ đó hơi khô nhất được lấy.
• Bộ tách nên được xem xét trước bất kỳ thiết bị sử dụng hơi nào đảm bảo hơi khô được sử dụng.
• Bẫy được chọn phải đủ chắc chắn để tránh hư hại do búa nước và hư hại do sương giá.