Bộ Tích Hơi

Tổng quan đầy đủ về nhu cầu tích trữ hơi để đáp ứng nhu cầu tải đỉnh trong các ngành công nghiệp cụ thể, bao gồm thiết kế, chế tạo và vận hành bộ tích hơi, kèm theo các phép tính.

Mục đích của bộ tích hơi là giải phóng hơi nước khi nhu cầu vượt quá khả năng cung cấp của lò hơi tại thời điểm đó, và hấp thụ hơi nước khi nhu cầu thấp. Bộ tích hơi đôi khi được coi là di tích của ‘thời đại hơi nước’ với ít ứng dụng trong công nghiệp hiện đại.

Thiết kế lò hơi

Các lò hơi hiện đại nhỏ hơn đáng kể so với các loại lò cách đây chỉ 30 năm. Sự giảm kích thước này là do người dùng yêu cầu lò hơi phải:

• Hiệu quả hơn về đầu vào nhiên liệu so với sản lượng hơi.
• Phản ứng nhanh hơn với những thay đổi về nhu cầu.
• Nhỏ hơn, chiếm ít diện tích sàn hơn.
• Rẻ hơn để mua và lắp đặt. Các mục tiêu này đã được đáp ứng một phần nhờ hệ thống điều khiển/đốt hiện đại hơn ngày nay, phản ứng nhanh hơn và chính xác hơn với sự thay đổi nhu cầu so với các hệ thống trước đây. Tuy nhiên, phản ứng của lò hơi đối với sự thay đổi nhu cầu cũng bị ảnh hưởng bởi các định luật tự nhiên, ví dụ: lượng nước cần gia nhiệt và diện tích truyền nhiệt khả dụng để truyền nhiệt từ ngọn lửa đốt sang nước. Thời gian phản ứng đã được cải thiện bằng cách giảm kích thước vật lý bên ngoài của lò hơi cho bất kỳ công suất đầu ra nhất định nào, và bằng cách nhồi đầy ống bên trong để tăng diện tích truyền nhiệt. Điều này có nghĩa là lò hơi hiện đại chứa ít nước hơn, và diện tích truyền nhiệt trên mỗi kg nước lớn hơn. Xem xét tình huống hiện tại:

1. Nhu cầu hơi từ nhà máy tăng lên, và áp suất trong lò hơi giảm xuống mức cài đặt điều khiển đốt.
2. Bộ điều khiển đốt xả sạch buồng đốt, và bộ đốt được đánh lửa.
3. Diện tích truyền nhiệt lớn và khối lượng nước thấp hơn kết hợp để bay hơi nước trong lò hơi nhanh chóng nhằm đáp ứng nhu cầu hơi. Như đã đề cập trong Mô-đun 3.7, ‘Phụ kiện và thiết bị gắn trên lò hơi’, năng lượng tích trữ trong lò hơi chứa trong nước ở nhiệt độ bão hòa. Lượng nước trong lò hơi càng lớn, lượng năng lượng tích trữ càng lớn để đối phó với sự thay đổi nhu cầu/tải. Bảng 3.22.1 so sánh lò hơi Lancashire cũ từ thập niên 1950 với lò hơi đóng gói hiện đại. Lưu ý rằng lò hơi đóng gói hiện đại chỉ chứa 20% lượng nước của lò hơi Lancashire có cùng công suất. Từ đó suy ra rằng dự trữ năng lượng trong lò hơi đóng gói hiện đại chỉ bằng 20% của lò Lancashire. Điều này cho thấy lò hơi đóng gói hiện đại không thể đối phó với nhu cầu đỉnh theo cách mà lò Lancashire cũ có thể. Cũng lưu ý từ Bảng 3.22.1 rằng ‘tốc độ giải phóng hơi’ từ bề mặt nước bên trong lò hơi đóng gói hiện đại đã tăng gấp 2,7 lần. Điều này có nghĩa là hơi chỉ có 1/2,7 (40%) thời gian như trong lò Lancashire để tách ra khỏi nước. Trong thời gian nhu cầu đỉnh, điều này có thể có nghĩa là hơi ẩm đang được xuất ra từ lò hơi đóng gói hiện đại, và có thể ở áp suất thấp hơn áp suất thiết kế vận hành - Đề cập trong Mô-đun 3.12 ‘Kiểm soát TDS trong Nước lò hơi’. Nước bị cuốn theo cùng hơi sẽ bị bẩn (khoảng 3.000 ppm TDS), và sẽ làm ô nhiễm các van điều khiển và bề mặt truyền nhiệt. Nó thậm chí có thể bịt kín một số lỗ nhỏ hơn trong thiết bị đo áp suất, bẫy hơi, v.v. Lưu ý: Thông tin để tạo Bảng 3.22.1 do Thermsave cung cấp. Các đơn vị hệ Anh cũng được hiển thị trong bảng để cung cấp cái nhìn sâu sắc về các hệ số được áp dụng trong thiết kế lò hơi ngày trước.

Nhu cầu đỉnh

Nhu cầu hơi trong bất kỳ nhà máy quy trình nào đều hiếm khi ổn định, nhưng mức độ và loại biến động phụ thuộc vào ứng dụng và ngành công nghiệp. Đỉnh có thể xảy ra mỗi tuần một lần hoặc thậm chí mỗi ngày một lần trong quá trình khởi động. Các vấn đề lớn nhất do nhu cầu đỉnh gây ra thường liên quan đến các ngành chế biến theo mẻ:

• Sản xuất bia.
• Dệt may.
• Giặt khô.
• Đóng hộp.
• Sản xuất khối bê tông nhẹ.
• Các lĩnh vực chuyên biệt của ngành sản xuất thép.
• Ngành công nghiệp cao su với nồi hấp lớn. Đối với các quy trình này, đỉnh có thể nặng và kéo dài, được đo bằng phân số của một giờ. Ngoài ra, chu kỳ tải có thể bao gồm các đỉnh ngắn hạn, tần suất cao, thời gian ngắn nhưng lưu lượng tức thời rất cao:
• Hoàn thiện tất.
• Cao su.
• Ép phun nhựa và polystyrene.
• Bóc vỏ bằng hơi.
• Tiệt trùng bệnh viện và công nghiệp. Hình 3.22.1 cho thấy trong mỗi trường hợp, nhu cầu gần như tức thời và đỉnh cao hơn nhiều so với tải trung bình. Kết quả của nhu cầu đột ngột lên nhà máy lò hơi là sự giảm áp suất trong lò hơi, vì lò hơi và thiết bị đốt liên quan không thể tạo hơi ở tốc độ mà hơi đang được rút ra. Nhu cầu đỉnh và sự giảm áp suất sau đó có thể có hậu quả khá nghiêm trọng đối với sản xuất nhà máy. Trong trường hợp xấu nhất, kết quả là lò hơi bị ‘khóa’, do mực nước tăng lên do sôi nhanh, sau đó sụp đổ. Điều này được hệ thống điều khiển mực nước nhận biết như báo động mực nước thấp. Trong trường hợp tốt nhất, hơi được tạo ra bị ẩm và ô nhiễm. Kết hợp với giảm áp suất, điều này có thể dẫn đến:
• Tăng thời gian quy trình.
• Giảm chất lượng sản phẩm hoặc thậm chí hư hỏng hay mất mát sản phẩm.
• Búa nước trong đường ống hơi chính gây hư hại cho đường ống và phụ kiện, và có thể nguy hiểm cho nhân viên. Đối với nhà máy lò hơi, nhu cầu đỉnh là nguyên nhân của:
• Mức bảo trì cao hơn.
• Giảm tuổi thọ lò hơi.
• Giảm hiệu suất nhiên liệu. Điều này là do thiết bị đốt liên tục chạy tuần hoàn từ lửa thấp đến lửa cao, và thậm chí tắt trong những thời kỳ nhu cầu rất thấp, chỉ để đốt lại vài phút sau, với tất cả các hiệu ứng làm lạnh trước và sau khi xả sạch. Nhiều lò hơi hoặc lò hơi công suất quá lớn có thể được sử dụng trong nỗ lực đối phó với nhu cầu đỉnh (và sự sụt giảm nhu cầu sau đó) điều này tất yếu dẫn đến hiệu suất thấp. Để minh họa điểm này, có thể giả định rằng:
• Đối với lò hơi hơi nước trung bình, ít hơn 1% tổn thất là do bức xạ nhiệt từ vỏ lò hơi (ví dụ: 1% Công suất Liên tục Tối đa (MCR) của lò hơi).
• Nếu lò hơi đang sản xuất 50% MCR, tổn thất do bức xạ là 2% so với tốc độ sản xuất.
• Nếu lò hơi sản xuất 25% MCR, tổn thất là 4% tốc độ sản xuất. Và cứ tiếp tục, cho đến khi lò hơi chỉ được duy trì ở áp suất mà không xuất hơi ra nhà máy. Tại thời điểm này, 1% MCR của nó là 100% tổn thất so với tốc độ sản xuất hơi. Nếu nhà máy lò hơi được tính cỡ cho tải đỉnh, các vấn đề phát sinh do quá cỡ so với nhu cầu trung bình. Trong thực tế, lò hơi có thể tắt trong thời kỳ nhu cầu thấp. Nếu sau đó là sự tăng vọt nhu cầu đột ngột và lò hơi không hoạt động, tình huống báo động có thể xảy ra. Chuông báo sẽ kêu, lò hơi có thể bị khóa và việc phục hồi hơi sẽ chậm chạp và khó khăn. Tóm lại, đỉnh là nguyên nhân của:
• Mất sản lượng.
• Giảm chất lượng sản phẩm.
• Tăng thời gian sản xuất.
• Hơi kém chất lượng từ lò hơi.
• Hiệu suất nhiên liệu thấp.
• Chi phí bảo trì cao.
• Giảm tuổi thọ lò hơi.

Kỹ thuật san phẳng tải

Các lò hơi hiện đại rất hiệu quả khi được tải đúng cách và phản ứng nhanh với tăng tải, với điều kiện lò hơi đang hoạt động. Tuy nhiên, các lò hơi vỏ thông thường thường không thể đáp ứng các nhu cầu đỉnh lớn một cách thỏa đáng và nên được bảo vệ khỏi các tải biến động lớn. Các phương pháp khác nhau được sử dụng nhằm tạo ra mẫu tải ổn định để bảo vệ nhà máy lò hơi khỏi tác động của tải biến động lớn.

Phương pháp kỹ thuật:

Van duy trì áp suất (còn gọi van dư thừa) có thể được sử dụng như thiết bị cắt tải bằng cách cách ly các phần không thiết yếu của nhà máy và do đó ưu tiên cho thiết bị thiết yếu, một sắp xếp điển hình được thể hiện trong Hình 3.22.2. Sự thành công của phương pháp này lại phụ thuộc vào mức độ nghiêm trọng của đỉnh và giả định rằng lò hơi đang hoạt động khi đỉnh phát sinh. Van dư thừa cũng có thể được gắn trực tiếp vào lò hơi hoặc trên đường ống hơi chính đến nhà máy, như thể hiện trong Hình 3.22.3. Áp suất đặt nên:

• Thấp hơn áp suất điều khiển ‘lửa cao’, để tránh can thiệp vào điều khiển đốt với bộ điều khiển đốt.
• Đủ cao để duy trì áp suất trong lò hơi ở mức an toàn. Về tính cỡ van dư thừa, yêu cầu là giảm áp suất tối thiểu. Theo hướng dẫn chung, nên xem xét van cỡ đường ống. Kiểm soát mực nước hai phần tử hoặc ba phần tử. Chúng có thể thành công miễn là đỉnh không quá dữ dội và lò hơi đang hoạt động khi đỉnh phát sinh; lò hơi cũng phải có đủ công suất. Kiểm soát hai phần tử sử dụng đầu vào từ hệ thống điều khiển mực nước lò hơi và lưu lượng hơi để định vị van điều khiển cấp nước. Kiểm soát ba phần tử sử dụng hai phần tử trên cộng với đầu vào từ thiết bị đo lưu lượng nước cấp để kiểm soát lưu lượng nước cấp đầu vào, thay vì chỉ vị trí của van điều khiển cấp nước. (Phần tử thứ ba này chỉ phù hợp với lò hơi sử dụng kiểm soát mực nước điều biến trong nhà lò hơi có đường ống cấp nước dạng vòng.) Ví dụ 3.22.1 Một lò hơi có công suất định mức 5.000 kg/h ‘Từ và Tại’ Cài đặt áp suất lửa cao/thấp lần lượt là 11,3/12,0 bar g (12,3/13,0 bar a). Cài đặt van dư thừa là 11,0 bar g (12,0 bar a).

1. Dựa trên vận tốc khoảng 25 m/s, đường ống hơi chính DN100 sẽ được chọn.
2. Kvs của van điều khiển dư thừa DN100 tiêu chuẩn là 160 m³/h
3. Sử dụng phương trình lưu lượng khối sau cho hơi bão hòa, áp suất phía hạ lưu van dư thừa (P2) có thể được tính: Trong ví dụ này, ở lửa thấp, áp suất lò hơi là 12 bar g (13 bar a). Có thể tính từ Phương trình 3.21.2 rằng áp suất sau van dư thừa mở hoàn toàn là 11,89 bar g (12,89 bar a). Do đó, giảm áp suất là nhỏ (0,11 bar) và sẽ không đáng kể trong vận hành bình thường. Tuy nhiên, nếu áp suất giảm xuống 11,0 bar g, van dư thừa sẽ bắt đầu đóng để duy trì áp suất thượng lưu. Dải tỷ lệ trên bộ điều khiển nên được đặt càng hẹp càng tốt mà không làm van ‘dao động’ quanh điểm đặt. Cả hai phương pháp áp dụng van duy trì áp suất đều có thể bảo vệ nhà máy lò hơi, nhưng chúng sẽ không vượt qua yêu cầu cơ bản là có thêm hơi cho quy trình.

Phương pháp quản lý

Chúng bao gồm, ví dụ, khởi động so le các quy trình để giữ tải đỉnh ở mức thấp nhất có thể. Phương pháp san phẳng đỉnh này có thể có lợi cho nhà máy lò hơi nhưng có thể bất lợi và hạn chế cho sản xuất, có tác dụng tương tự van duy trì áp suất. Tuy nhiên, không thể san phẳng các đỉnh ngắn hạn chỉ bằng phương pháp quản lý. Trong nhà máy có nhiều quy trình riêng lẻ gây ra các đỉnh như vậy, nó có thể có tác dụng san phẳng tải, nhưng đồng thời, nhiều quy trình riêng lẻ cũng có thể đạt đỉnh đồng thời, với hậu quả tai hại. Nếu các phương pháp trên không cung cấp sự ổn định nhu cầu cần thiết, có thể đã đến lúc xem xét phương tiện tích trữ hơi.

Bộ tích hơi

Phương tiện phù hợp nhất để cung cấp hơi khô sạch tức thời, nhằm đáp ứng nhu cầu đỉnh là sử dụng phương pháp tích trữ hơi để có thể ‘giải phóng’ khi cần. Lưu trữ hơi dưới dạng khí nén không thực tế do thể tích lưu trữ khổng lồ cần thiết ở áp suất lò hơi bình thường. Điều này được giải thích rõ nhất trong một ví dụ: Trong ví dụ được sử dụng sau trong Mô-đun này, một bình có thể tích 52,4 m³ được sử dụng.

• Áp suất nạp là 10 bar g (khối lượng riêng = 0,177 m³/kg).
• Áp suất xả là 5 bar g (khối lượng riêng = 0,315 m³/kg). Dựa trên các tham số này, năng lượng tích trữ sẵn sàng giải phóng tức thời cho nhà máy chứa trong 130 kg hơi. Con số này chỉ bằng 5,2% năng lượng tích trữ sẵn sàng sử dụng, so với bộ tích hơi chứa đầy nước. Trong thực tế có hai cách tạo hơi:
• Bằng cách thêm nhiệt vào nước sôi, gián tiếp qua ống đốt và bộ đốt, như trong lò hơi thông thường.
• Bằng cách giảm áp suất trên nước được lưu trữ ở nhiệt độ bão hòa. Điều này dẫn đến dư thừa năng lượng trong nước, khiến một phần nước chuyển thành hơi. Hiện tượng này được gọi là ‘bốc flash’, và thiết bị dùng để lưu trữ nước có áp suất được gọi là bộ tích hơi. Về nguyên tắc, có hai loại hệ thống tích trữ hơi; bộ tích hơi giảm áp suất và bộ tích hơi áp suất không đổi. Mô-đun này chỉ xem xét loại trước. Bộ tích hơi về bản chất là phần mở rộng của khả năng tích trữ năng lượng của lò hơi. Khi nhu cầu hơi từ nhà máy thấp, và lò hơi có khả năng tạo nhiều hơi hơn mức cần thiết, hơi thừa được đưa vào một khối nước được lưu trữ dưới áp suất. Qua một thời gian, nhiệt độ và áp suất của nước tích trữ sẽ tăng lên cho đến khi đạt nhiệt độ bão hòa ở áp suất mà lò hơi đang vận hành. Nhu cầu sẽ vượt quá khả năng của lò hơi khi:
• Tải được áp dụng nhanh hơn khả năng phản ứng của lò hơi - ví dụ, bộ đốt có thể bị tắt và chu kỳ xả sạch phải hoàn thành trước khi bộ đốt có thể đánh lửa an toàn. Điều này có thể mất tới 5 phút, và thay vì thêm nhiệt vào lò hơi, chu kỳ xả sạch thực sự sẽ có tác dụng làm mát nhẹ nước trong lò hơi. Cộng thêm thực tế là bốc flash nước lò hơi sẽ gây giảm mực nước, và hệ thống điều khiển mực nước lò hơi sẽ tự động bù đắp bằng cách đưa nước cấp vào ở, ví dụ, 90°C. Điều này sẽ có tác dụng dập tắt trên nước đã ở nhiệt độ bão hòa, và sẽ làm trầm trọng thêm tình hình.
• Nhu cầu lớn xảy ra trong thời gian dài hơn bình thường. Trong cả hai trường hợp, kết quả là giảm áp suất bên trong bộ tích hơi, và do đó một phần nước nóng sẽ bốc flash thành hơi. Tốc độ bốc flash của nước phụ thuộc vào áp suất lưu trữ, và tốc độ mà hơi được yêu cầu bởi hệ thống đang được cung cấp. Nạp Bộ tích hơi giảm áp suất bao gồm một bình áp lực hình trụ chứa đầy nước một phần, ở mức từ 50% đến 90% tùy thuộc vào ứng dụng. Hơi được nạp bên dưới bề mặt nước bởi bộ phân phối, được trang bị một loạt bộ phun hơi, cho đến khi toàn bộ lượng nước đạt đến áp suất và nhiệt độ yêu cầu. Tự nhiên là mực nước sẽ lên xuống trong quá trình nạp và xả. Nếu bộ tích hơi được nạp bằng hơi bão hòa (hoặc hơi ẩm), có thể có sự tăng nhẹ nước do tổn thất bức xạ từ bình. Thông thường, lượng hơi xả ra nhiều hơn một chút so với lượng hơi đưa vào. Một bẫy hơi (loại phao) được lắp ở mức làm việc và hoạt động như bộ giới hạn mực, xả lượng nước thừa nhỏ ra hệ thống hồi ngưng tụ. Tuy nhiên, nếu bộ tích hơi được nạp bằng hơi quá nhiệt, hoặc tổn thất bức xạ rất nhỏ, sẽ có sự mất nước dần do bay hơi, và van cấp hoặc bơm, dưới sự điều khiển của đầu dò mực nước, sẽ cần thiết để bù đắp sự thiếu hụt. Xả Khi giảm áp suất xảy ra trong bộ tích hơi với nước tích trữ ở nhiệt độ bão hòa, hơi flash sẽ được tạo ra ở tốc độ được yêu cầu bởi bất kỳ tải nào vượt quá công suất lò hơi; do đó điều kiện quá tải sẽ được đáp ứng. Khi quá tải tiếp theo là nhu cầu dưới công suất lò hơi, bộ tích hơi được nạp bằng hơi thừa từ lò hơi. Chu kỳ nạp và xả này giải thích tên gọi ‘bộ tích hơi’ và liên tục cho phép lò hơi hoạt động lên đến công suất liên tục tối đa. Chu kỳ nạp/xả Bộ tích cần được nạp đầy hoàn toàn tại thời điểm bắt đầu giai đoạn xả để hoạt động chính xác. Để cho phép điều này, hai sự kiện chính phải được đáp ứng:

1. Đủ thời gian từ cuối kỳ quá tải trước đến đầu kỳ tiếp theo, để nạp lại nước tích trữ trong bộ tích.
2. Nhu cầu hơi trung bình khi không tải phải thấp hơn công suất lò hơi (công suất liên tục tối đa hoặc MCR), sao cho đủ công suất lò hơi thừa để nạp lại nước tích trữ trong bộ tích trong giờ thấp điểm. Các tiêu chí khác cũng quan trọng để đảm bảo bộ tích có đủ dung lượng, và chúng phải được đáp ứng bởi thiết kế:
3. Đủ nước phải được tích trữ để cung cấp lượng hơi flash cần thiết trong thời kỳ xả. Điều này có thể được đáp ứng bằng cách đảm bảo thể tích bộ tích đủ lớn.
4. Tốc độ giải phóng hơi cao hơn sẽ tạo ra hơi ẩm. Vận tốc và lưu lượng mà hơi flash được giải phóng từ bề mặt nước phải dưới giá trị xác định trước. Điều này có thể được đáp ứng bằng cách đảm bảo diện tích bề mặt nước đủ lớn, mà lần lượt phụ thuộc vào kích thước bộ tích.
5. Công suất bay hơi phải đủ. Điều này phụ thuộc vào áp suất mà nước được lưu trữ khi nạp đầy (áp suất lò hơi) và áp suất tối thiểu mà bộ tích sẽ vận hành ở cuối thời kỳ xả (áp suất thiết kế bộ tích). Chênh lệch giữa hai áp suất này càng lớn, hơi flash được tạo ra càng nhiều.
6. Áp suất thiết kế bộ tích phải cao hơn áp suất phân phối hạ lưu. Điều này cần thiết để tạo chênh lệch áp suất qua van giảm áp hạ lưu (PRV), cho phép lưu lượng cần thiết từ bộ tích đến nhà máy. Áp suất bộ tích càng gần áp suất phân phối, bộ tích càng nhỏ nhưng cũng tạo chênh lệch áp suất nhỏ hơn qua PRV. Điều này yêu cầu PRV lớn hơn; đủ lớn để truyền nhu cầu quá tải cao nhất khi bộ tích ở áp suất thiết kế (áp suất tối thiểu trong bộ tích ở cuối thời kỳ xả).

Tính cỡ bộ tích hơi

Bộ tích hơi trong hệ thống hơi tăng khả năng lưu trữ. Thiết kế đúng bộ tích hơi đảm bảo rằng bất kỳ lưu lượng nào đều có thể được đáp ứng. Không có giới hạn lý thuyết về kích thước bộ tích hơi, nhưng tất nhiên các cân nhắc thực tế sẽ đặt ra hạn chế. Trong thực tế, thể tích bộ tích hơi dựa trên nhu cầu lưu trữ để đáp ứng nhu cầu đỉnh, với giảm áp suất cho phép, đồng thời vẫn cung cấp hơi khô sạch ở tốc độ giải phóng hơi phù hợp từ bề mặt nước. Ví dụ 3.22.2 dưới đây được sử dụng để tính tiềm năng công suất hơi trong bộ tích hơi ngang. Ví dụ 3.22.2 Lò hơi: Công suất liên tục tối đa = 5.000 kg/h Áp suất làm việc bình thường = 10 bar g (hf = 781 kJ/kg, từ bảng hơi nước) Sai biệt chuyển đổi bộ đốt = 1 bar (0,5 bar mỗi bên của 10 bar g) Yêu cầu nhà máy: Quá tải tức thời tối đa = 12.000 kg/h Áp suất phân phối = 5 bar g Mặc dù quá tải tức thời tối đa là 12.000 kg/h, giá trị trung bình của quá tải nên được sử dụng để tính cỡ bộ tích. Điều này ngăn ngừa tính cỡ quá mức không cần thiết của bộ tích. Tương tự, cần xác định và sử dụng tải trung bình ‘thấp điểm’ trong phép tính cỡ. Tải thấp điểm là bất kỳ tải nào dưới MCR lò hơi. Tìm giá trị trung bình của quá tải và tải thấp điểm Có ba phương pháp có thể để xác định tải trung bình cho nhà máy lò hơi hiện có:

1. Ước tính dựa trên kinh nghiệm.
2. Truy vấn biểu đồ sản lượng hơi hiện có của lò hơi để xác định tải trung bình và khoảng thời gian mà chúng xảy ra.
3. Lập trình máy tính đồng hồ hơi để tích hợp tải hơi qua cả thời kỳ quá tải và thấp điểm. Phương pháp 1 có thể tỏ ra khá liều lĩnh, nếu bộ tích đắt tiền kết quả quá nhỏ.

Tuy nhiên, nếu nhà máy lò hơi vẫn đang ở giai đoạn thiết kế, phỏng đoán có học thức sẽ là lựa chọn duy nhất. Từ kiến thức của người thiết kế về công trình lắp đặt, có thể đưa ra ước tính hợp lý về tải tối đa của nhà máy, sự đa dạng tải, và thời gian mà chúng xảy ra.

Phương pháp 2 khá dễ thực hiện, và sẽ cho kết quả chính xác hợp lý.

Phương pháp 3 sẽ cho kết quả chính xác nhất, và chi phí đồng hồ hơi nhỏ so với tổng chi phí dự án bộ tích.

Quy trình sau cho thấy cách xác định tải hơi trung bình từ biểu đồ ghi chép hiện có về mẫu tải. Quy trình được xây dựng từ Hình 3.22.4, cho thấy mẫu lưu lượng cho Ví dụ 3.22.2.

Điều khiển và phụ kiện bộ tích hơi

Sau đây là đánh giá về thiết bị cần thiết cho lắp đặt bộ tích hơi, cùng với một số hướng dẫn về tính cỡ và lựa chọn thiết bị phù hợp. Sử dụng số liệu từ Ví dụ 3.22.2: Lò hơi: Công suất liên tục tối đa = 5.000 kg/h Áp suất làm việc bình thường = 10 bar g Bộ tích: Khối lượng nước cần thiết để tích trữ hơi = 65.920 kg (nạp đầy và 90% thể tích bình) P1 (áp suất lò hơi) = 10 bar g (nạp đầy) P2 (áp suất xả) = 6 bar g (xả hết) Yêu cầu nhà máy: Áp suất = 5 bar g Quá tải trung bình lớn nhất = 10.300 kg/h trong 30 phút mỗi 95 phút, trong đó 5.000 kg/h được cung cấp bởi lò hơi. Từ các số liệu này có thể suy ra rằng 65.920 kg nước phải được gia nhiệt từ nhiệt độ bão hòa ở 6 bar g đến nhiệt độ bão hòa ở 10 bar g trong 95 phút. Đường ống Đường ống giữa lò hơi và bộ tích hơi nên được tính cỡ, theo thông lệ, dựa trên vận tốc hơi 25 đến 30 m/s và sản lượng tối đa của lò hơi. Trong trường hợp Ví dụ 3.22.2, điều này sẽ yêu cầu đường ống DN100 từ lò hơi đến bộ tích, để mang Công suất Liên tục Tối đa (MCR) của lò hơi là 5.000 kg/h @ 10 bar g. Đường ống từ bộ tích đến PRV hạ lưu nên được tính cỡ dựa trên quá tải tức thời tối đa và vận tốc không quá 20 m/s. Điều này sẽ yêu cầu ống danh nghĩa DN250 cho ví dụ này, với áp suất thiết kế bộ tích là 6 bar g. Van chặn Một van chặn cỡ đường ống là cần thiết ngoài van đỉnh lò hơi. Van chặn có định mức phù hợp, tốt nhất bằng thép đúc, sẽ phù hợp. Van kiểm tra hoặc van một chiều Một van kiểm tra cỡ đường ống cần thiết để ngăn dòng ngược của hơi trở lại lò hơi trong trường hợp lò hơi cố tình tắt, hoặc có thể lò hơi bị khóa. Van kiểm tra dạng đĩa sẽ là lựa chọn phù hợp. Van dư thừa Van dư thừa là thiết yếu để đảm bảo tốc độ hơi chảy từ lò hơi đến bộ tích nằm trong khả năng của lò hơi. Ví dụ 3.22.1 cho thấy cách tính cỡ van. Van dư thừa tự hành có thể được sử dụng trong các lắp đặt nhỏ hơn, với điều kiện dải tỷ lệ hẹp (và không điều chỉnh được) là chấp nhận được. Bộ điều khiển khí nén và van điều khiển phù hợp hơn cho các lắp đặt lớn hơn, và mang lại lợi thế dải tỷ lệ điều chỉnh được. Đối với ứng dụng này, van điều khiển vận hành bằng khí nén DN100 với khả năng vận hành và đóng ngắt phù hợp sẽ được chọn.

Thiết bị phun hơi

Đường ống vào hơi được tính cỡ đúng cách phải dẫn xuống dưới mực nước và vào hệ thống đầu phân phối/bộ phân phối hơi như thể hiện trong Hình 3.22.6. Hơi được phun vào nước. Điều quan trọng cần nhớ là công suất bộ phun sẽ giảm khi áp suất trong bình tăng, vì chênh lệch áp suất giữa hơi phun vào và áp suất bình bị giảm. Ở lưu lượng rất thấp, hơi sẽ có xu hướng thoát ra từ các bộ phun gần đường ống cấp hơi nhất. Thiết kế đường ống cấp và hệ thống bộ phân phối, cùng với vị trí đặt bộ phun, phải cung cấp khả năng phun hơi đều khắp chiều dài bộ tích hơi bất kể lưu lượng hơi thực tế. Dòng xả từ bộ phun sẽ là nước rất nóng và hơi, có thể với một số bong bóng hơi ngưng tụ, ở vận tốc rất cao, thúc đẩy hỗn loạn và trộn lẫn trong khối nước. Chúng không nên xả trực tiếp vào hoặc gần tường bình. Do đó lắp đặt có góc có thể được khuyến nghị. Lý tưởng nhất, chúng cũng nên được đặt ở các góc khác nhau để hỗ trợ phân phối đều hơn. Sắp xếp danh nghĩa được thể hiện trong Hình 3.22.6. Trong bình rất dài, phân phối đều hơn có thể đạt được nếu sử dụng hai hoặc nhiều đường ống cấp. Trong các trường hợp này, rất quan trọng là các đường ống cấp được ghép nối cẩn thận từ đường ống cung cấp chính. Tất cả các bộ phun nên được lắp càng thấp trong bộ tích càng tốt để đảm bảo cột chất lỏng tối đa có thể phía trên chúng. Cũng có thể phù hợp để lắp các bộ phun ở góc nhẹ để tránh xói mòn bình. Bảng tính cỡ của nhà sản xuất sẽ cho giá trị Kvs của bộ phun hơi (xem Bảng 3.22.2) Sử dụng dữ liệu từ Bảng 3.22.2 và tham chiếu Hình 3.22.8, trích từ biểu đồ tính cỡ hơi bão hòa Hình 3.22.9:

1. Vẽ đường ngang sang phải từ trục ‘x’ tại 11 bar a (10 bar g) cho đến khi giao với đường giảm áp suất tới hạn, điểm (A).
2. Vẽ đường thẳng đứng xuống biểu đồ từ điểm (A) cho đến khi giao với giá trị Kvs của bộ phun, điểm (B), (Ví dụ Kvs 5,8 cho bộ phun IM25M).
3. Vẽ đường ngang sang trái, cho đến khi giao với trục ‘y’, điểm (C). Giá trị hiển thị sẽ là công suất của bộ phun. (Khoảng 760 kg/h cho ví dụ này).

Tính cỡ và định lượng bộ phun

Bài tập trên cho công suất 760 kg/h cho một bộ phun; nhưng điều này chỉ liên quan đến đầu kỳ nạp, khi áp suất bình ở mức thấp nhất, và công suất bộ phun ở mức cao nhất. Phải nhớ rằng, khi nhiều hơi hơn được phun vào bình, áp suất bình sẽ tăng, thực tế giảm công suất bộ phun, cho đến khi áp suất bình cuối cùng có thể cân bằng với áp suất lò hơi, và không có dòng chảy nào có thể xảy ra. Vì lý do này, không thực tế khi sử dụng một (cao nhất) lưu lượng, 760 kg/h trong ví dụ này. Thay vào đó, cần tìm tốc độ phun trung bình qua thời kỳ nạp. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng Phương trình 3.21.2 để tính lưu lượng ở các áp suất bình khác nhau. Trong ví dụ này, áp suất bình sẽ thay đổi từ 6 bar g đến 10 bar g. Số lượng áp suất lấy càng nhiều, độ chính xác càng cao nhưng, nói chung, lấy các mức tăng 10% của chênh lệch giữa áp suất lò hơi và áp suất tích trữ sẽ cho giá trị trung bình đáng tin cậy. Bảng 3.22.3 cho thấy các phép tính cho bộ phun IN25 (1”) với Kv là 5,8. Tổng lưu lượng 6.076 kg/h được chia cho số mục nhập. phải nhớ bao gồm cả mục nhập bằng không; do đó có mười một mục nhập cần xem xét. Có thể thấy rằng lưu lượng trung bình 553 kg/h thấp hơn đáng kể so với công suất tối đa 759 kg/h. Nếu công suất tối đa được sử dụng để định lượng số lượng bộ phun, thì sẽ không chọn đủ số bộ phun. Số lượng bộ phun cần thiết có thể được xác định bằng cách chia lưu lượng hơi cho lượng mà một bộ phun có thể cung cấp. Lưu ý: Nhiều bộ phun nhỏ hơn sẽ tốt hơn một bộ phun lớn để đảm bảo trộn đều bên trong bộ tích hơi. Biểu đồ tính cỡ này là kinh nghiệm và không nên sử dụng cho các ứng dụng quan trọng

Tính thời gian cần thiết để nạp lại bình

Từ mẫu tải thể hiện trong Hình 3.22.4, đã cho thấy thời gian tối thiểu giữa các chu kỳ nạp là 95 phút. Bây giờ cần kiểm tra rằng bình có thể được nạp lại trong thời gian ngắn hơn thế. Đã cho thấy rằng lượng hơi sử dụng trong thời kỳ xả là 2.650 kg. Lưu lượng thừa trung bình có sẵn trong thời kỳ nạp lại đã được tính từ Hình 3.22.4 là 2.916 kg/h. Thời gian cần thiết để nạp lại tỷ lệ với tỷ lệ khối lượng hơi sử dụng trong quá trình xả so với tốc độ hơi thừa chảy trong thời kỳ thấp điểm: Vì thời gian nạp lại yêu cầu ít hơn thời gian giữa chu kỳ quá tải ngắn nhất là 95 phút, sự cân bằng giữa thời gian quá tải và thời gian nạp lại có thể được đáp ứng bởi bộ tích.

Do đó, kích thước bộ tích dài 7 mét đường kính 4 mét cung cấp đủ dung lượng cho ví dụ cụ thể này.

Đồng hồ áp suất

Một đồng hồ áp suất có dãy đo phù hợp cần thiết để hiển thị áp suất bên trong bộ tích hơi. Lý tưởng nhất, nó nên được đánh dấu để hiển thị:

• Áp suất tối thiểu (áp suất hơi nhà máy).
• Áp suất tối đa (áp suất hơi lò hơi).
• Áp suất làm việc tối đa của bình.

Van an toàn

Nếu áp suất làm việc tối đa của bộ tích bằng hoặc lớn hơn của lò hơi, thì van an toàn có thể không cần thiết. Tuy nhiên, người dùng có thể lo ngại về các kịch bản ít rõ ràng hơn. Ví dụ, trong trường hợp cháy nhà máy, nếu bộ tích được nạp đầy và tất cả các cửa vào và cửa ra đều đóng, áp suất trong bộ tích có thể tăng. Thảo luận với thanh tra bảo hiểm là cần thiết trước khi đưa ra quyết định. Giống như tất cả các lắp đặt van an toàn, dòng xả nên được dẫn đến khu vực an toàn qua ống thông hơi có kích thước phù hợp, được thoát nước đúng cách.

Cửa xả khí và van phá chân không

Khi bộ tích hơi khởi động từ lạnh, không gian hơi chứa đầy không khí. Không khí này không có giá trị nhiệt, thực tế nó sẽ ảnh hưởng xấu đến hiệu suất nhà máy hơi (như đã chứng minh trong Định luật Dalton) và cũng có tác dụng che phủ bề mặt trao đổi nhiệt. Không khí cũng sẽ gây ra ăn mòn trong hệ thống ngưng tụ. Không khí có thể được xả bằng van khóa đơn giản, thường để mở cho đến khi bộ tích hơi được nén áp suất lên khoảng 0,5 bar. Thay thế cho van khóa là cửa xả khí áp suất cân bằng, không chỉ giải phóng người vận hành nhà máy lò hơi khỏi nhiệm vụ xả không khí thủ công (và do đó đảm bảo rằng nó thực sự được thực hiện), mà còn đáng tin cậy hơn trong việc xả bất kỳ khí nào tích tụ trong bình trong quá trình sử dụng. Ngược lại, khi bộ tích hơi được đưa ra khỏi hoạt động, hơi trong không gian hơi ngưng tụ và để lại chân không. Chân không này gây ra áp suất tác động lên bình từ bên ngoài, và có thể dẫn đến rò rỉ không khí vào qua cửa kiểm tra. Van phá chân không sẽ tránh tình huống này.

Van xả

Van này sẽ được sử dụng để xả bình cho công tác bảo trì và kiểm tra. Van DN40 sẽ phù hợp cho kích thước bộ tích trong Ví dụ 3.22.2.

Tràn

Một bẫy hơi phao với van xả khí nhiệt tích hợp phải được lắp như trong Hình 3.22.10. Khi lắp như thể hiện, mực nước bên trong bộ tích sẽ không tăng lên trên điểm này vì bẫy sẽ hoạt động như van tràn tự động. Khi mực nước giảm, tức là khi hơi được rút ra nhanh hơn tốc độ thay thế, bẫy sẽ tự động đóng để ngăn hơi thoát ra. Sử dụng bẫy phao với viên nang nhiệt tích hợp làm thiết bị giới hạn mực, mang lại lợi ích bổ sung là xả khí. Bẫy nên được lắp gần ống thủy. Dòng xả từ bẫy nên được dẫn trở lại bể cấp lò hơi, chú ý tránh ngược áp quá mức hoặc nâng cao. Kích thước bẫy phao/nhiệt sẽ thay đổi theo kích thước bộ tích, và thường là cỡ DN32 hoặc DN40 cho Ví dụ 3.22.2.

Ống thủy hiển thị mực nước

Sự thay đổi mực nước bên trong bộ tích hơi sẽ không lớn vì chỉ khoảng 5% khối lượng nước sẽ bốc flash thành hơi, tuy nhiên, một số phương tiện xem mực nước là cần thiết. Rõ ràng ống thủy nên được định mức để hoạt động ở áp suất làm việc tối đa của bộ tích hơi. Tuy nhiên, từ quan điểm lưu kho và chuẩn hóa nhà máy, có một số lợi ích khi sử dụng ống thủy giống như lò hơi. Chỉ cần một ống thủy.

Trạm giảm áp

Một trạm giảm áp được lắp ở đầu xả. Khi van giảm áp mở để duy trì áp suất hạ lưu, sự giảm áp suất xảy ra trong bộ tích hơi khiến một phần nước bốc flash thành hơi. Van giảm áp nên được tính cỡ dựa trên dữ liệu sau: P1 = Áp suất bộ tích (6 bar g trong ví dụ) P2 = Áp suất nhà máy (5 bar g trong ví dụ) ΔP = 6 - 5 = 1 bar Lưu lượng = Lưu lượng quá tải tối đa (12.000 kg/h trong ví dụ) Van phù hợp bây giờ có thể được chọn từ biểu đồ tính cỡ của nhà sản xuất hoặc sử dụng biểu đồ tính cỡ hơi bão hòa thể hiện trong Hình 3.22.9. Đối với kích thước lên đến DN80, van tự hành dẫn động bằng pilot sẽ phù hợp, trong khi van điều khiển vận hành bằng khí nén phù hợp với kích thước lớn hơn.

Đường ống

Thích hợp tại thời điểm này để kiểm tra rằng đường ống giữa trạm giảm áp bộ tích hơi và nhà máy được tính cỡ đầy đủ. Đường ống này nên được tính cỡ theo thông lệ dựa trên vận tốc hơi 25 đến 30 m/s, nhưng sử dụng lưu lượng đỉnh từ bộ tích hơi ở áp suất nhà máy, trong trường hợp này là 5 bar g.

Các sắp xếp điển hình của bộ tích hơi:

Hình 3.22.11 cho thấy tất cả hơi được tạo ra bởi nhà máy lò hơi đi qua bộ tích hơi. Đây là cách sắp xếp hiện đại hơn và thường được ưa chuộng. Sắp xếp thể hiện trong Hình 3.22.12 được sử dụng phổ biến hơn trong quá khứ và vẫn hữu ích khi bộ tích hơi phải được đặt cách xa đường ống hơi chính. Tuy nhiên, các van kiểm tra nên được kiểm tra thường xuyên, vì sự kết hợp của van ‘dính’ và van ‘hở’ có thể dẫn đến hơi được nạp vào bộ tích hơi phía trên bề mặt hơi, điều này không mang lại lợi ích gì. Hình 3.22.13 cho thấy sắp xếp khi hơi ở áp suất lò hơi cũng được yêu cầu cùng với hơi ở áp suất thấp hơn. Một số ứng dụng quy trình không thể dung nạp hơi áp suất thấp, và hơi ở áp suất lò hơi có thể được yêu cầu mọi lúc (thường cho quy trình sấy). Nếu tải đỉnh do người dùng áp suất cao gây ra, van duy trì áp suất trong Hình 3.22.13 sẽ cảm nhận giảm áp suất, và điều biến về phía ghế, do đó dành hơi áp suất cao cho người dùng áp suất cao, để bộ tích hơi cung cấp nhu cầu áp suất thấp trong thời kỳ này. Theo cách này, hệ thống cung cấp tải biến động áp suất thấp qua bộ tích hơi và lưu lượng tối đa có thể cho tải áp suất cao được đảm bảo bởi hành động của van duy trì áp suất. Trong Hình 3.22.14, lò hơi đang hoạt động ở áp suất thiết kế bình thường, ví dụ 10 bar, và hơi đi đến tải biến động yêu cầu không quá, ví dụ 5 bar. Van giảm áp A giảm áp suất giữa đầu lò hơi và đường phân phối trong nhà máy, phản ứng với áp suất cảm nhận trong đường 5 bar. Nếu nhu cầu hơi vượt quá khả năng cung cấp này từ lò hơi, và áp suất trong đường áp suất thấp giảm xuống dưới, ví dụ 4,8 bar, van B sẽ bắt đầu mở và bổ sung nguồn cung. Điều này rút hơi từ bộ tích hơi, và qua thời gian kéo dài, áp suất bộ tích hơi sẽ giảm. Van B phản ứng với áp suất hạ lưu trong đường phân phối, do đó cũng hoạt động như van giảm áp. Công suất của nó nên phù hợp với tốc độ xả được phép cho bộ tích hơi, và nó sẽ nhỏ hơn van giảm áp A. Van C là van duy trì áp suất, phản ứng với áp suất lò hơi. Nếu áp suất tăng do giảm nhu cầu từ nhà máy, van duy trì áp suất C mở. Hơi sau đó được đưa vào bộ tích hơi được nạp lại hướng tới áp suất tối đa, hơi dưới áp suất lò hơi. Van giảm áp B sẽ đóng tại thời điểm này vì nhà máy đang nhận đủ hơi qua van giảm áp (đóng một phần) A.

Cân nhắc thực tế cho bộ tích hơi

Đường bypass Trong bất kỳ nhà máy nào, quản lý kỹ thuật phải cố gắng cung cấp ít nhất dịch vụ tối thiểu trong trường hợp bộ tích hơi và thiết bị liên quan cần bảo trì hoặc bị hỏng. Điều này sẽ bao gồm cung cấp cách ly đầy đủ và an toàn cho bộ tích với van, và có thể một số phương tiện bảo vệ lò hơi khỏi quá tải nếu thay đổi lớn về nhu cầu không thể tránh khỏi. Giải pháp rõ ràng nhất ở đây là van duy trì áp suất dự phòng.

Kết luận

Bộ tích hơi không phải là di tích cổ xưa. Thực ra, hoàn toàn ngược lại. Bộ tích hơi đã được lắp đặt trong toàn bộ công nghiệp hiện đại bao gồm công nghệ sinh học, tiệt trùng bệnh viện và công nghiệp, giàn thử nghiệm sản phẩm, in ấn và sản xuất thực phẩm, cũng như các ngành truyền thống hơn như nhà máy bia và nhà nhuộm. Các lò hơi hiện đại đã trở nên nhỏ hơn và cũng có sự gia tăng sử dụng lò hơi ống nước nhỏ, lò hơi cuộn và lò hơi dạng khuyên, tất cả đều hiệu quả, nhưng giảm dung lượng nhiệt của hệ thống, và làm cho nó dễ bị tổn thương trước các vấn đề tải đỉnh. Có nhiều ứng dụng hơn nữa cho bộ tích hơi. Đối với đỉnh dài hạn mà nhà máy lò hơi cuối cùng phải xử lý, bộ tích hơi có thể được sử dụng để lưu trữ, ví dụ, 5 phút của lưu lượng đỉnh, cho phép thời gian cho nhà máy lò hơi đạt sản lượng phù hợp một cách an toàn. Bộ tích hơi cũng có thể được sử dụng với lò hơi điện cực hoặc lò hơi điện trở đặt chìm để hơi có thể được tạo ra ngoài giờ cao điểm, được tích trữ, và sử dụng trong giờ cao điểm. Các khả năng là vô tận. Tóm lại, bộ tích hơi là công cụ hiệu quả, vì nó có thể cung cấp cách kinh tế nhất để cung cấp hơi cho quy trình theo mẻ. Lời cảm ơn Spirax Sarco ghi nhận sự giúp đỡ và thông tin được cung cấp bởi: Wilson Steam Storage Ltd., Chesterfield, Derbyshire, S41 8NG