Tìm hiểu Nồi hơi tàu thủy

TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng Hiệu đính: TS. Nguyễn Đại An NỒI HƠI TÀU THỦY NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 1 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, hơi nước là một trong những công chất được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dịch vụ. Ta có thể nhận thấy sự có mặt của hơi nước trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội từ những ứng dụng công nghiệp nặng như sản xuất năng lượng, gia công chế tạo... đến những nhu cầu hàng ngày của con người như hâm nóng, sấy sưởi... Một số liệu thống kê về năng lượng cho thấy tính trên toàn thế giới, 80 – 90% điện năng sản xuất được là từ việc sử dụng hơi nước. Sở dĩ hơi nước phổ biến như vậy là do nó có rất nhiều ưu điểm như: tính kinh tế, sẵn có, không độc hại, có khả năng giãn nở lớn, sinh công lớn... Nói riêng về lĩnh vực kỹ thuật tàu thủy, từ thế kỷ 17 – 18 hơi nước đã được ứng dụng rất phổ biến trên các con tàu để phục vụ cho hệ động chính lai chân vịt. Ngày nay, tuy hệ động lực Diesel gần như đã được trang bị cho toàn bộ đội tàu thế giới, hơi nước vẫn được sử dụng cho nhiều mục đích cần thiết dưới tàu như: sinh công trong các máy phụ, phục vụ sinh hoạt của thuyền viên, là chất công tác trong các thiết bị trao đổi nhiệt... Nồi hơi là thiết bị sinh hơi chính trong hệ động lực hơi nước. Với hệ động lực hơi nước ở trên bờ, hơi nước được cấp cho tua bin hơi để lai máy phát điện. Với hệ động lực hơi nước dưới tàu biển, hơi nước được cấp cho tua bin hơi để lai chân vịt tàu thủy. Hiện nay, ở những tàu sử dụng hệ động lực Diesel, khi mà động cơ Diesel là thiết bị động lực chính lai chân vịt tàu thủy thì nồi hơi được sử dụng như một thiết bị phụ phục vụ cho những mục đích như: hâm dầu, sấy không khí... Nói chung, nồi hơi là một trong những thiết bị năng lượng quan trọng dưới tàu thủy. Một kỹ sư khai thác máy tàu biển để có thể hoàn thành tốt TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY 2 công việc thì cần phải hiểu và nắm vững nguyên lý hoạt động cũng như cách thức khai thác vận hành thiết bị này. “Nồi hơi tàu thủy” là giáo trình được biên soạn để phục vụ cho môn học “Nồi hơi – Tua bin hơi” trong chương trình đào tạo kỹ sư khai thác máy tàu biển của Khoa Máy tàu biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. Đây cũng là môn học chuyên ngành đầu tiên được giảng dạy vào năm thứ ba. Do đó, để giúp sinh viên tiếp cận kiến thức chuyên môn được tốt, nhóm tác giả gồm TS. Lê Văn Điểm và KS. Hoàng Anh Dũng đã biên soạn và xuất bản giáo trình này. Sách được trình bày một cách lô-gíc, dễ hiểu với nội dung được chia làm các chương mục rõ rệt. Để học tốt môn học này, sinh viên cần nắm vững kiến thức cơ sở chuyên ngành về nhiệt động học kỹ thuật và cần rèn luyện kỹ năng đọc bản vẽ kỹ thuật. Chúng tôi tin rằng cuốn sách sẽ là tài liệu bổ ích và đem lại hiệu quả cho việc học tập của sinh viên. Tuy nhiên, do lần đầu tiên xuất bản và do bản thân tác giả còn hạn chế về kinh nghiệm thực tế nên thiếu sót là điều không thể tránh khỏi. Trong quá trình sử dụng, chúng tôi mong nhận được và xin chân thành cảm ơn mọi ý kiến đóng góp của độc giả để sách ngày một hoàn thiện hơn. Tác giả NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 3 MỤC LỤC Chương 1. Cơ sở nhiệt động hệ động lực hơi nước.....................................8 1.1. Nhắc lại những kiến thức cơ bản về hơi nước....................................8 1.1.1. Nước và hơi nước.........................................................................8 1.1.2. Đồ thị pha của nước .....................................................................9 1.1.3. Các quá trình chuyển pha của nước.............................................10 1.1.4. Độ khô và độ ẩm của hơi nước ...................................................12 1.2. Chu trình nhiệt động của thiết bị động lực hơi nước ........................12 1.2.1. Chu trình Carnot ........................................................................12 1.2.2. Chu trình Rankine ......................................................................14 1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chu trình Rankine................18 1.2.4. Chu trình hồi nhiệt và chu trình có quá nhiệt trung gian ..............21 1.3. Sử dụng năng lượng hơi nước dưới tàu thủy....................................25 Chương 2. Giới thiệu chung về nồi hơi tàu thủy.......................................26 2.1. Định nghĩa .....................................................................................26 2.2. Chức năng, nhiệm vụ của nồi hơi dưới tàu thủy...............................26 2.3. Phân loại nồi hơi tàu thủy ...............................................................27 2.3.1. Phân loại theo áp suất công tác ...................................................27 2.3.2. Phân theo sự chuyển động của khí cháy và nước.........................28 2.3.3. Phân theo nguồn năng lượng sử dụng .........................................28 2.3.4. Phân theo hình dáng và cách bố trí nồi hơi..................................29 2.3.5. Phân theo nguyên lý tuần hoàn ...................................................30 2.4. Các thông số chính của nồi hơi tàu thủy..........................................31 2.4.1. Áp suất ......................................................................................31 TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY 4 2.4.2. Nhiệt độ.....................................................................................32 2.4.3. Sản lượng hơi.............................................................................32 2.4.4. Suất tiêu hao nhiên liệu ..............................................................33 2.4.5. Diện tích mặt hấp nhiệt...............................................................33 2.4.6. Dung tích buồng đốt...................................................................34 2.4.7. Nhiệt tải dung tích buồng đốt......................................................35 2.4.8. Lượng nước nồi..........................................................................35 2.4.9. Hiệu suất nồi hơi ........................................................................36 2.5. Nguyên lý hoạt động của nồi hơi và hệ thống nồi hơi ......................37 2.5.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản của nồi hơi .....................................37 2.5.2. Quá trình sinh hơi trong nồi hơi..................................................38 2.5.3. Hệ thống nồi hơi ........................................................................40 2.6. Yêu cầu đối với nồi hơi sử dụng dưới tàu thủy ................................43 Chương 3. Nhiên liệu và quá trình cháy trong nồi hơi ..............................46 3.1. Nhiên liệu dùng cho nồi hơi tàu thủy...............................................46 3.1.1. Thành phần dầu đốt nồi hơi ........................................................46 3.1.2. Các tính chất đặc trưng...............................................................47 3.1.3. Yêu cầu đối với nhiên liệu dùng cho nồi hơi tàu thuỷ..................49 3.2. Qúa trình cháy trong buồng đốt nồi hơi...........................................49 3.2.1. Các giai đoạn cháy nhiên liệu .....................................................49 3.2.2. Cháy hoàn toàn và không hoàn toàn............................................50 3.2.3. Hệ số không khí thừa α...............................................................52 3.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy trong nồi hơi ...............54 3.2.5. Hiện tượng ăn mòn điểm sương và mục rỉ vanađi........................55 3.3. Cân bằng nhiệt nồi hơi....................................................................57 3.3.1. Tổn thất nhiệt do khói lò q2 ........................................................57 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 5 3.3.2. Tổn thất hóa học q3 ....................................................................59 3.3.3. Tổn thất nhiệt ra ngoài trời q5 .....................................................60 Chương 4. Kết cấu nồi hơi tàu thủy .........................................................62 4.1. Nồi hơi phụ tàu thủy.......................................................................62 4.1.1. Nồi hơi hình trụ ống lửa nằm (Scotch boiler) ..............................62 4.1.2. Nồi hơi thẳng đứng ống lửa nằm (Cochran boiler) ......................67 4.1.3. Nồi hơi thẳng đứng ống lửa đứng ...............................................69 4.1.4. Nồi hơi thẳng đứng ống nước đứng.............................................71 4.1.5. Nồi hơi tuần hoàn cưỡng bức......................................................75 4.2. Nồi hơi khí xả, nồi hơi liên hợp ......................................................77 4.2.1. Nồi hơi liên hợp ống lửa nằm (Cochran).....................................79 4.2.2. Nồi hơi liên hợp ống nước đứng .................................................82 4.2.3. Hệ thống liên hợp nồi hơi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả ..............84 Chương 5. Các thiết bị, hệ thống phục vụ nồi hơi.....................................88 5.1. Thiết bị buồng đốt ..........................................................................88 5.1.1. Hệ thống cung cấp không khí .....................................................89 5.1.2. Hệ thống nhiên liệu ....................................................................90 5.1.3. Thiết bị đánh lửa ......................................................................101 5.1.4. Tế bào quang điện (mắt thần) ...................................................102 5.1.5. Chương trình điều khiển thiết bị buồng đốt ...............................103 5.2. Thiết bị chỉ báo, cấp nước nồi.......................................................107 5.2.1. Thiết bị chỉ báo tại chỗ .............................................................108 5.2.2. Thiết bị chỉ báo mức nước từ xa ...............................................109 5.2.3. Hệ thống cung cấp nước nồi hơi ...............................................111 5.3. Tự động điều khiển và điều chỉnh nồi hơi......................................115 5.3.1. Tự động điều khiển quá trình cháy............................................116 TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY 6 5.3.2. Tự động điều khiển hâm nhiên liệu...........................................118 5.3.3. Tự động giám sát và cấp nước nồi hơi.......................................120 5.4. Van an toàn ..................................................................................121 5.4.1. Van an toàn kiểu đẩy thẳng.......................................................121 5.4.2. Van an toàn hoạt động gián tiếp................................................125 5.5. Thiết bị gạn xả và thổi muội .........................................................126 5.5.1. Gạn mặt, xả đáy nồi hơi............................................................126 5.5.2. Thiết bị thổi muội.....................................................................128 5.6. Hệ thống phân phối và tuần hoàn hơi ............................................128 Chương 6. Nước nồi hơi và xử lý nước nồi hơi ......................................131 6.1. Nước cấp nồi hơi..........................................................................131 6.1.1. Thành phần cáu cặn trong nước nồi hơi.....................................131 6.1.2. Tiêu chuẩn nước cấp nồi hơi.....................................................133 6.2. Ảnh hưởng của tạp chất đến sự hoạt động của nồi hơi ...................136 6.2.1. Cơ chế hình thành cáu cặn........................................................138 6.2.2. Cơ chế ăn mòn các bề mặt trao nhiệt.........................................139 6.2.3. Hiện tượng tạp chất và các hạt nước cuốn theo vào hơi .............144 6.3. Xử lý nước nồi .............................................................................146 6.3.1. Xử lý nước ngoài nồi hơi..........................................................146 6.3.2. Xử lý nước trong nồi hơi ..........................................................151 6.4. Hóa nghiệm nước nồi hơi .............................................................155 6.4.1. Kỹ thuật lấy mẫu thử và chuẩn bị dụng cụ.................................156 6.4.2. Các bài hoá nghiệm cơ bản.......................................................156 6.5. Các bài hoá nghiệm nưóc nồi hơi của hãng Unitor Chemicals........162 6.5.1. Kỹ thuật lấy mẫu thử và chuẩn bị dụng cụ.................................162 6.5.2. Xác định hàm lượng kiềm phenolthalein (P Alkalinity) .............163 NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 7 6.5.3. Xác định độ pH........................................................................164 6.5.4. Xác định hàm lượng ion chloride (Cl-)......................................164 Chương 7. Khai thác và bảo dưỡng nồi hơi ............................................166 7.1. Vận hành nồi hơi ..........................................................................166 7.1.1. Chuẩn bị đốt nồi hơi.................................................................166 7.1.2. Đốt nồi hơi...............................................................................167 7.1.3. Tăng áp suất hơi.......................................................................169 7.1.4. Khai thác nồi hơi đang hoạt động .............................................171 7.1.5. Dừng nồi hơi............................................................................172 7.2. Một số hư hỏng thường gặp khi khai thác nồi hơi..........................172 7.2.1. Cạn nước nồi chưa nghiêm trọng ..............................................172 7.2.2. Cạn nước nồi nghiêm trọng ......................................................173 7.2.3. Hư hỏng các bề mặt trao đổi nhiệt.............................................174 7.2.4. Mức nước nồi hơi quá cao ........................................................175 7.2.5. Nồi hơi bị tắt............................................................................175 7.3. Bảo dưỡng nồi hơi tàu thủy...........................................................176 7.3.1. Vệ sinh nồi hơi.........................................................................176 7.3.2. Tẩy rửa cáu cặn nồi hơi ............................................................178 7.3.3. Thử thủy lực nồi hơi.................................................................179 TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY 8 Chương 1. Cơ sở nhiệt động hệ động lực hơi nước 1.1. Nhắc lại những kiến thức cơ bản về hơi nước 1.1.1. Nước và hơi nước Nước (water) là một hợp chất hóa học của ôxy và hiđrô, có công thức hóa học là H2O. Với các tính chất lý hóa đặc biệt (ví dụ như tính lưỡng cực, liên kết hiđrô và tính bất thường của khối lượng riêng) nước là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoa học và trong đời sống. 70% diện tích của Trái Đất được nước che phủ nhưng chỉ 0,3% tổng lượng nước trên Trái Đất nằm trong các nguồn có thể khai thác dùng làm nước uống. Hơi nước (steam) là công chất nhận được từ nước do hiện tượng bay hơi trên bề mặt của nước. Hơi nước là một loại khí thực. Ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường hơi nước đã rất gần với trạng thái bão hoà. Ở trong các thiết bị nhiệt với diều kiện áp suất cao, nhiệt độ thấp, hơi nước gần với thể lỏng. Do đó trong hơi nước, không thể bỏ qua lực tương tác giữa các phân tử và thể tích riêng của chúng. Hơi nước tuân theo các phương trình trạng thái khí thực như phương trình Van Der Walls. (1-1) Trong đó, a và b là các hệ số phụ thuộc vào bản chất chất khí. NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 9 1.1.2. Đồ thị pha của nước x= 0 x=1 R ắn R ắn + lỏ n g L ỏn g Hơi quá nhiệt Hình 1.1. Các trạng thái của hơi nước trên đồ thị p-v và T-s. TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY 10 Nước nói chung có thể tồn tại ở ba thể: thể rắn (solid), thể lỏng (liquid) và thể hơi (vapor). Nước ở thể lỏng được hiểu là trạng thái nước chưa sôi (compressed water) còn nước ở thể hơi được hiểu là trạng thái hơi quá nhiệt (superheated vapor). Đó là những trạng thái một pha cân bằng. Tùy theo điều kiện nhiệt độ và áp suất, nước còn có thể ở các trạng thái hai pha (trạng thái cân bằng động) như nước bão hòa (nước sôi), hơi bão hòa... Những trạng thái này không bền và có xu hướng chuyển sang trang thái cân bằng. Nước bão hòa (saturated water): là nước đã đạt đến trạng thái nhiệt độ và áp suất bão hòa, lúc này quá trình hóa hơi bắt đầu diễn ra. Nước tồn tại ở cả hai pha lỏng và hơi nhưng thành phần lỏng chiếm đa số. Hơi bão hòa (saturated steam): là hơi ở trạng thái nhiệt độ và áp suất bão hòa. Giống như trạng thái nước bão hòa, hơi bão hòa gồm hai thành phần lỏng và hơi nhưng thành phần hơi chiếm đa số. Hơi bão hòa có thể ở trạng thái bão hòa chưa hoàn toàn, gọi là hơi bão hòa ẩm hoặc trạng thái bão hòa hoàn toàn, gọi là hơi bão hòa khô.  Hơi bão hòa ẩm (liquid-vapor): là hơi bão hòa mà còn chứa các hạt lỏng nhỏ li ti chưa kịp bay hơi hết.  Hơi bão hòa khô (saturated vapor): là hơi bão hòa mà không còn chứa thành phần lỏng nào. 1.1.3. Các quá trình chuyển pha của nước  Hóa hơi (vaporization): là quá trình nước chuyển từ pha lỏng sang pha hơi khi được cấp nhiệt. Nhiệt lượng này được gọi là nhiệt ẩn hóa hơi.  Bay hơi (evaporation): là quá trình hoá hơi tự nhiên xảy ra trên bề mặt thoáng của nước ở bất cứ nhiệt độ nào. Hiện tượng bay hơi là do những phần tử nước ở gần bề mặt thoáng có tốc độ lớn, do đó có động năng chuyển động lớn hơn các phần tử NỒI HƠI TÀU THỦY TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng 11 khác, khắc phục được lực tương tác giữa các phần tử, thắng được lực căng của bề mặt chất lỏng để tách ra và bay vào không khí. Cường độ bay hơi phụ thuộc vào nhiệt độ và diện tích mặt thoáng.  Sôi (boiling): khi cung cấp nhiệt lượng cho nước, nhiệt độ của nước tăng cao, cường độ bay hơi tăng. Đến một nhiệt độ nào đó hiện tượng hoá hơi xảy ra trong lòng chất lỏng tạo lên các bọt hơi nước. Các bong bóng hơi này đi lên, lớn dần và được tạo thành trong toàn bộ thể tích nước. Ta gọi đó là sự sôi. Quá trình sôi diễn ra tại áp suất và nhiệt độ không đổi. Nhiệt độ ứng với trạng thái sôi gọi là nhiệt độ sôi ts (boiling point).  Ngưng tụ (condensation): quá trình ngược lại với quá trình hoá hơi gọi là quá trình ngưng tụ, hơi nước biến thành nước và nhả nhiệt. Quá trình ngưng tụ cũng diễn ra tại áp suất và nhiệt độ không thay đổi.  Nóng chảy (melting): là quá trình nước chuyển từ pha rắn (nước đá) sang pha lỏng khi được cấp nhiệt lượng.  Đông đặc (solidification): là quá trình ngược lại với quá trình nóng chảy, tức là nước từ pha lỏng chuyển sang pha rắn và nhả nhiệt.  Thăng hoa (sublimation): là quá trình nước chuyển trực tiếp từ pha rắn sang pha hơi. Quá trình này chỉ diễn ra tại áp suất và nhiệt độ rất cao hoặc khi nhiệt lượng cấp là vô cùng lớn.  Ngưng kết (crystallization): là quá trình ngược lại với quá trình thăng hoa, tức là nước từ pha hơi chuyển trực tiếp sang pha rắn và nhả nhiệt. TS. Lê Văn Điểm - KS. Hoàng Anh Dũng NỒI HƠI TÀU THỦY 12 1.1.4. Độ khô và độ ẩm của hơi nước Ngoài các thông số cơ bản của công chất như: nhiệt độ, áp suất, thể tích riêng, enthalpy, entropy... hơi nước còn có thông số độ khô và độ ẩm.  Độ khô (dryness): là tỷ số giữa khối lượng của phần hơi bão hòa khô trong hơi bão hòa ẩm và khối lượng hơi bão hòa ẩm. Ký hiệu x. (1-2) Trong đó: Gh là khối lượng hơi khô trong ẩm; Gn là khối lượng của nước trong hơi ẩm. Nước sôi có x = 0; hơi ẩm có 0 < x < 1 và hơi khô có x = 1.  Độ ẩm (humidity): là tỷ số giữa khối l