Lò hơi ống nước

Mô tả lò hơi ống nước bao gồm nguyên lý vận hành, các loại và lợi ích; cùng tóm tắt cách chúng được áp dụng cho phát điện kết hợp nhiệt và điện.

Lò hơi ống nước

Lò hơi ống nước khác với lò hơi vỏ ở chỗ nước được tuần hoàn bên trong các ống, với nguồn nhiệt bao quanh chúng. Tham chiếu lại phương trình ứng suất vòng (Phương trình 3.2.1), dễ dàng thấy rằng vì đường kính ống nhỏ hơn đáng kể, áp suất cao hơn nhiều có thể được chịu đựng cho cùng ứng suất. Lò hơi ống nước được sử dụng trong các ứng dụng nhà máy điện yêu cầu:

• Công suất hơi cao (lên đến 500 kg/giây).
• Hơi áp suất cao (lên đến 160 bar).
• Hơi quá nhiệt (lên đến 550°C). Tuy nhiên, lò hơi ống nước cũng được sản xuất ở kích thước cạnh tranh với lò hơi vỏ. Lò hơi ống nước nhỏ có thể được sản xuất và lắp ráp thành một đơn vị duy nhất, giống như lò hơi vỏ đóng gói, trong khi các đơn vị lớn thường được sản xuất theo phần để lắp ráp tại chỗ. Nhiều lò hơi ống nước hoạt động theo nguyên lý tuần hoàn nước tự nhiên (còn gọi là ‘thermosiphoning’). Đây là chủ đề đáng đề cập trước khi xem xét các loại lò hơi ống nước khác nhau có sẵn. Hình 3.3.2 giúp giải thích nguyên lý này:
• Nước cấp mát hơn được đưa vào trống hơi phía sau một tấm chắn nơi, vì mật độ nước lạnh lớn hơn, nó đi xuống trong ‘ống xuống’ hướng đến trống dưới hoặc ‘trống bùn’, đẩy nước ấm hơn lên các ống phía trước.
• Gia nhiệt liên tục tạo bong bóng hơi trong các ống phía trước, được tách tự nhiên khỏi nước nóng trong trống hơi, và được lấy ra. Tuy nhiên, khi áp suất trong lò hơi ống nước tăng, sự khác biệt giữa mật độ nước và hơi bão hòa giảm, do đó ít tuần hoàn hơn xảy ra. Để giữ cùng mức công suất hơi ở áp suất thiết kế cao hơn, khoảng cách giữa trống dưới và trống hơi phải tăng, hoặc một số phương tiện tuần hoàn cưỡng bức phải được giới thiệu. Các phần của lò hơi ống nước Năng lượng từ nguồn nhiệt có thể được thu dưới dạng bức xạ hoặc đối lưu và dẫn. Phần lò hoặc phần bức xạ Đây là khu vực mở chứa ngọn lửa từ bộ đốt. Nếu ngọn lửa được phép tiếp xúc với ống lò hơi, xói mòn nghiêm trọng và cuối cùng hỏng ống sẽ xảy ra. Các tường của phần lò được lót bằng các ống cánh gọi là tấm màng, được thiết kế để hấp thụ nhiệt bức xạ từ ngọn lửa.

Phần đối lưu

Phần này được thiết kế để hấp thụ nhiệt từ khí nóng bằng dẫn và đối lưu. Các lò hơi lớn có thể có nhiều dãy ống (còn gọi là móc treo) nối tiếp, để thu năng lượng tối đa từ khí nóng. Phân loại lò hơi ống nước Lò hơi ống nước thường được phân loại theo các đặc tính nhất định, xem Bảng 3.3.1.

Các bố trí lò hơi ống nước thay thế

Các bố trí sau hoạt động theo nguyên lý tương tự như các lò hơi ống nước khác, và có sẵn với công suất từ 5 000 kg/giờ đến 180 000 kg/giờ. Lò hơi trống dọc Lò hơi trống dọc là loại lò hơi ống nước ban đầu hoạt động theo nguyên lý thermo-siphon (xem Hình 3.3.5). Nước cấp mát hơn được đưa vào trống, được đặt dọc phía trên nguồn nhiệt. Nước mát rơi xuống ống phân phối tuần hoàn phía sau vào nhiều ống nghiêng được gia nhiệt. Khi nhiệt độ nước tăng khi đi lên qua các ống nghiêng, nó sôi và mật độ giảm, do đó tuần hoàn nước nóng và hơi lên các ống nghiêng vào ống phân phối phía trước dẫn trở lại trống. Trong trống, bong bóng hơi tách khỏi nước và hơi có thể được lấy ra. Công suất điển hình cho lò hơi trống dọc từ 2 250 kg/giờ đến 36 000 kg/giờ.

Lò hơi trống ngang

Lò hơi trống ngang là biến thể của lò hơi trống dọc ở chỗ trống được đặt ngang qua nguồn nhiệt như thể hiện trong Hình 3.3.6. Trống ngang hoạt động theo nguyên lý tương tự trống dọc ngoại trừ nó đạt được nhiệt độ đều hơn trên trống. Tuy nhiên, nó có nguy cơ hỏng do tuần hoàn lỗi ở tải hơi cao; nếu các ống trên trở nên khô, chúng có thể quá nhiệt và cuối cùng hỏng. Lò hơi trống ngang cũng có ưu điểm bổ sung là có thể phục vụ nhiều ống nghiêng hơn do vị trí ngang. Công suất điển hình cho lò hơi trống ngang từ 700 kg/giờ đến 240 000 kg/giờ.

Lò hơi ống cong hoặc Stirling

Sự phát triển thêm của lò hơi ống nước là lò hơi ống cong hoặc Stirling thể hiện trong Hình 3.3.7. Một lần nữa, nó hoạt động theo nguyên lý nhiệt độ và mật độ của nước, nhưng sử dụng bốn trống trong cấu hình sau. Nước cấp mát hơn vào trống trên bên trái, nơi nó rơi do mật độ lớn hơn, hướng đến trống dưới, hoặc trống nước. Nước trong trống nước, và các ống nối đến hai trống trên khác, được gia nhiệt, và các bong bóng hơi tạo ra đi lên vào các trống trên nơi hơi được lấy ra.

Lò hơi ống cong hoặc Stirling cho phép diện tích truyền nhiệt bề mặt lớn, cũng như thúc đẩy tuần hoàn nước tự nhiên.

Ưu điểm của lò hơi ống nước:

• Chúng có hàm lượng nước nhỏ, và do đó đáp ứng nhanh với thay đổi tải và đầu vào nhiệt.
• Các ống đường kính nhỏ và trống hơi có nghĩa là áp suất hơi cao hơn nhiều có thể được chịu đựng, và lên đến 160 bar có thể được sử dụng trong nhà máy điện.
• Thiết kế có thể bao gồm nhiều bộ đốt trên bất kỳ tường nào, cho tùy chọn đốt ngang hoặc dọc, và khả năng kiểm soát nhiệt độ ở các phần khác nhau của lò hơi. Điều này đặc biệt quan trọng nếu lò hơi có bộ quá nhiệt tích hợp, và nhiệt độ hơi quá nhiệt cần được kiểm soát.

Nhược điểm của lò hơi ống nước:

• Chúng không đơn giản để chế tạo ở dạng đóng gói như lò hơi vỏ, có nghĩa là nhiều công việc hơn cần tại chỗ.
• Tùy chọn nhiều bộ đốt có thể cho tính linh hoạt, nhưng 30 hoặc nhiều bộ đốt hơn được sử dụng trong nhà máy điện có nghĩa là hệ thống điều khiển phức tạp cần thiết.

Nhà máy phát điện kết hợp nhiệt và điện (CHP)

Các lò hơi ống nước mô tả ở trên thường có công suất lớn. Tuy nhiên, lò hơi nhỏ, mục đích đặc biệt, lò hơi nhiệt thải nhỏ hơn được sử dụng kết hợp với nhà máy tua-bin khí trên mặt đất đang có nhu cầu tăng. Nhiều loại nhà máy tua-bin khí tạo hơi trên mặt đất được sử dụng:

• Phát điện kết hợp nhiệt và điện Các hệ thống này dẫn khí thải nóng từ tua-bin khí (khoảng 500°C) qua lò hơi, nơi hơi bão hòa được tạo ra và sử dụng như tiện ích nhà máy. Các ứng dụng điển hình cho các hệ thống này là trên nhà máy hoặc địa điểm nơi nhu cầu điện và hơi đi đôi với nhau và có tỷ lệ phù hợp với hệ thống CHP.

Hiệu suất có thể đạt 90%.

• Nhà máy chu trình hỗn hợp Đây là phần mở rộng của hệ thống CHP, và hơi bão hòa được dẫn qua bộ quá nhiệt để tạo hơi quá nhiệt. Bộ quá nhiệt có thể được đốt riêng do nhiệt độ tương đối thấp của khí thải tua-bin khí. Hơi quá nhiệt được tạo ra được dẫn đến tua-bin hơi nước dẫn động máy phát điện bổ sung, và tạo ra điện. Tỷ lệ giảm tải của các nhà máy này kém, do nhu cầu tua-bin quay ở tốc độ đồng bộ với tần số điện. Điều này có nghĩa là chỉ thực tế để chạy các nhà máy này ở tải đầy đủ, cung cấp tải cơ bản hơi cho nhà máy. Do nhiệt độ tương đối thấp của khí thải tua-bin khí, so với ngọn lửa bộ đốt trong lò hơi thông thường, diện tích truyền nhiệt lò hơi lớn hơn nhiều cần cho một tải nhiệt nhất định. Cũng không cần cung cấp chỗ cho bộ đốt. Vì những lý do này, lò hơi ống nước có xu hướng cung cấp giải pháp tốt hơn và nhỏ gọn hơn. Vì hiệu suất là yếu tố chính với người ra quyết định CHP, thiết kế các lò hơi này có thể kết hợp bộ tiết kiệm (bộ gia nhiệt nước cấp). Nếu nhà máy là ‘chu trình hỗn hợp’ thiết kế cũng có thể bao gồm bộ quá nhiệt. Tuy nhiên, nhiệt độ tương đối thấp có thể có nghĩa là bộ đốt bổ sung cần thiết để đưa hơi lên thông số yêu cầu cho tua-bin hơi.