Đánh giá phương pháp làm sạch bằng sóng siêu âm cho lò hơi MBFRR 330 MW và baghouse

Chuyên đề nghiên cứu Đánh giá hiệu quả làm sạch lò hơi MBFRR 330 MW bằng sóng siêu âm, cập nhật xu hướng mới, giá trị tham khảo cao cho chuyên gia

• Tác giả: Nguyễn Phạm Hữu Lộc
• Người hướng dẫn: GVC.TS Phạm Công Bằng
• Trường học: Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Ứng Dụng, Đánh Giá Phương Pháp Làm Sạch Bằng Sóng Âm Cho Lò Hơi MB-FRR 330 MW Và Bag-House
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.1.1. Hệ thống chân không thu hồi tro
• 1.2. Hiện trạng các thiết bị
• 1.2.1. b) Hệ thống chân không thu hồi tro
• 1.3. Hiện trạng chi phí vận hành và sửa chữa
• 1.3.1. a) Chi phí vật tư, vận hành, bảo dưỡng cho thiết bị thổi bụi
• 1.3.2. b) Chi phí khắc phục nghẹt tro cho nhà túi lọc
• 1.3.3. c) Hiệu suất và chi phí đốt dầu năm 2020
• 1.3.4. d) Lợi ích kinh tế khi cải thiện hiệu suất
• 1.3.5. e) Lợi ích kinh tế khi khắc phục được nghẹt tro tại nhà túi lọc
• 1.4. Các phương pháp làm sạch cho hệ thống lò hơi và hệ thống chân không thu hồi tro
• 1.5. Đặc điểm và khả năng ứng dụng của phương pháp làm sạch bằng sóng âm
• 1.6. Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi
• 1.7. Tổ chức luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÒI HÀM MŨ VÀ MÔ HÌNH TRUYỀN ÂM
• 2.1. Lựa chọn mô hình còi
• 2.2. Cơ cấu bộ tạo âm
• 2.3. Phương trình sóng của còi
• 2.4. Kiểm tra độ ổn định
• 2.5. Góc bao phủ, hệ số định hướng và chỉ số định hướng của còi
• 2.6. Mô hình truyền âm
• 2.7. Khảo sát một số mẫu còi thực tế
• 2.8. Đo mức cường độ âm của còi trong không gian mở
• 2.9. Đo mức cường độ âm của còi trong buồng kín
• 2.10. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm đo mức cường độ âm của còi trong không gian mở
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT CẤU CÁC CỤM THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
• 3.1. Kết cấu các cụm thiết bị
• 3.1.1. Kết cấu, thông số kỹ thuật của hệ thống lò hơi, cụm ống quá nhiệt cấp 1 và cụm ống tái sấy cấp 1
• 3.1.1.1. b) Cụm ống quá nhiệt cấp 1
• 3.1.1.2. c) Cụm ống tái sấy cấp 1
• 3.1.2. Kết cấu, thông số kỹ thuật của hệ thống chân không thu hồi tro và nhà túi lọc
• 3.1.2.1. a) Hệ thống chân không thu hồi tro
• 3.1.3. Kết cấu, thông số kỹ thuật của còi
• 3.2. Phương pháp mô phỏng
• 3.2.1. Xây dựng bản vẽ 3D
• 3.2.2. Tạo mô hình hình học
• 3.2.3. Thiết lập mô hình mô phỏng vật lý
• 3.2.3.1. a) Thiết lập mô hình PAFD
• 3.2.3.2. b) Thiết lập mô hình ASI
• 3.2.4. Mô phỏng, tổng hợp và xử lý kết quả mô phỏng
• 3.2.4.1. a) Kết quả mô phỏng mô hình PAFD
• 3.2.4.2. b) Kết quả mô phỏng mô hình ASI
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG, TỔNG HỢP VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. Mô phỏng mô hình PAFD
• 4.1.1. Mô hình PAFD cụm ống quá nhiệt cấp 1
• 4.1.2. Mô hình PAFD cụm ống tái sấy cấp 1
• 4.1.2.1. a) Nửa dưới cụm ống tái sấy cấp 1
• 4.1.2.2. b) Nửa trên cụm ống tái sấy cấp 1
• 4.1.3. Mô hình PAFD của nhà túi lọc
• 4.2. Mô phỏng mô hình ASI
• 4.2.1. Mô hình ASI cụm ống quá nhiệt cấp 1
• 4.2.2. Mô hình ASI cụm ống tái sấy cấp 1
• 4.2.3. Mô hình ASI nhà túi lọc
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Những hạn chế và vấn đề tồn đọng trong quá trình nghiên cứu
• 5.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về hiệu quả làm sạch lò hơi MBFRR 330 MW bằng sóng siêu âm

Lò hơi MBFRR 330 MW là một trong những thiết bị quan trọng trong ngành công nghiệp năng lượng. Việc duy trì hiệu suất làm sạch cho lò hơi này là rất cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả. Phương pháp làm sạch bằng sóng siêu âm đã được nghiên cứu và áp dụng để giải quyết vấn đề này. Phương pháp này không chỉ giúp loại bỏ bụi bẩn mà còn bảo vệ các thiết bị khỏi hư hỏng.

1.1. Đặc điểm của lò hơi MBFRR 330 MW và tầm quan trọng của việc làm sạch

Lò hơi MBFRR 330 MW sử dụng nhiên liệu dầu F.O và có thiết kế cận tới hạn. Việc làm sạch định kỳ giúp duy trì hiệu suất và giảm thiểu hư hỏng, từ đó tiết kiệm chi phí bảo trì.

1.2. Sóng siêu âm trong công nghiệp Nguyên lý và ứng dụng

Sóng siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý tạo ra áp suất âm thanh để loại bỏ bụi bẩn. Phương pháp này đã được chứng minh là hiệu quả trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cả làm sạch lò hơi.

II. Vấn đề và thách thức trong việc làm sạch lò hơi MBFRR 330 MW

Trong quá trình vận hành, lò hơi MBFRR 330 MW thường gặp phải tình trạng bám bụi và cặn bẩn, gây ảnh hưởng đến hiệu suất. Việc sử dụng các phương pháp làm sạch truyền thống không đáp ứng được yêu cầu về hiệu quả và an toàn. Do đó, cần tìm kiếm giải pháp mới.

2.1. Các vấn đề thường gặp trong lò hơi

Các vấn đề như nghẹt tro, bục ống lò và hư hỏng thiết bị là những thách thức lớn. Những vấn đề này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất mà còn gây ra chi phí bảo trì cao.

2.2. Hạn chế của các phương pháp làm sạch truyền thống

Các phương pháp làm sạch truyền thống thường tốn thời gian và không hiệu quả. Chúng có thể gây hư hỏng cho thiết bị và không đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.

III. Phương pháp làm sạch lò hơi bằng sóng siêu âm Giải pháp hiệu quả

Phương pháp làm sạch bằng sóng siêu âm đã được áp dụng thành công cho lò hơi MBFRR 330 MW. Phương pháp này không chỉ giúp loại bỏ bụi bẩn mà còn bảo vệ các thiết bị khỏi hư hỏng. Nghiên cứu cho thấy hiệu quả làm sạch cao và chi phí bảo trì thấp.

3.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp sóng siêu âm

Phương pháp này sử dụng sóng âm để tạo ra áp suất âm thanh, giúp loại bỏ bụi bẩn mà không làm hư hại đến bề mặt thiết bị. Điều này giúp duy trì hiệu suất làm việc của lò hơi.

3.2. Lợi ích của việc áp dụng sóng siêu âm trong làm sạch

Việc sử dụng sóng siêu âm giúp tiết kiệm thời gian và chi phí. Nó cũng giảm thiểu rủi ro hư hỏng thiết bị, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc của lò hơi.

IV. Kết quả nghiên cứu về hiệu quả làm sạch lò hơi bằng sóng siêu âm

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp làm sạch bằng sóng siêu âm mang lại hiệu quả cao trong việc loại bỏ bụi bẩn và cặn bã. Kết quả thực nghiệm cho thấy áp suất âm thanh tạo ra có thể đạt mức tối ưu cho việc làm sạch.

4.1. Kết quả thực nghiệm về áp suất âm thanh

Kết quả cho thấy áp suất âm thanh đạt được từ phương pháp sóng siêu âm có thể lên đến 156,02 dB, đủ để làm sạch hiệu quả các bề mặt trong lò hơi.

4.2. So sánh hiệu quả giữa các phương pháp làm sạch

So với các phương pháp truyền thống, sóng siêu âm cho thấy hiệu quả vượt trội trong việc loại bỏ bụi bẩn mà không gây hư hại cho thiết bị.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của phương pháp làm sạch bằng sóng siêu âm

Phương pháp làm sạch bằng sóng siêu âm cho lò hơi MBFRR 330 MW đã chứng minh được hiệu quả và tính khả thi. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển để tối ưu hóa quy trình làm sạch này.

5.1. Tương lai của công nghệ làm sạch bằng sóng siêu âm

Công nghệ này có tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất làm sạch cho các thiết bị công nghiệp khác, không chỉ riêng lò hơi.

5.2. Khuyến nghị cho việc áp dụng rộng rãi

Cần khuyến khích các nhà máy áp dụng phương pháp này để nâng cao hiệu quả làm sạch và giảm thiểu chi phí bảo trì trong dài hạn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống năng lượng quốc gia, các nhà máy nhiệt điện đóng vai trò then chốt trong việc bảo đảm an ninh năng lượng và duy trì sự ổn định của phụ tải giờ cao điểm. Tuy nhiên, tình trạng bám dính tro xỉ tại các dàn ống trao đổi nhiệt và hiện tượng nghẹt tro tại hệ thống chân không thu hồi tro luôn là bài toán vận hành nan giải. Điển hình tại tổ máy S1 công suất 330 MW của Nhà máy Nhiệt điện Ô Môn I, hiệu suất thực tế chỉ đạt 39,003% so với hiệu suất thiết kế là 41,908%, làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu dầu FO lên mức 223,676 g/kWh. Lớp tro xỉ tích tụ dày làm suy giảm khả năng trao đổi nhiệt, đẩy nhiệt độ khói thải và lưu lượng nước phun giảm ôn tăng cao, tiềm ẩn nguy cơ gây quá nhiệt cục bộ dẫn đến bục vỡ ống lò.

Nhằm khắc phục triệt để các hạn chế của công nghệ thổi bụi bằng hơi nước truyền thống vốn tiêu tốn 47.160 kg hơi mỗi ngày cho 24 bộ thổi và thường xuyên gây mài mòn cơ học, nghiên cứu tập trung đánh giá tính khả thi của phương pháp làm sạch bằng sóng âm không phá hủy. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình áp suất âm theo miền tần số kết hợp tương tác âm thanh - kết cấu để khảo sát phân bố áp suất âm và biên độ rung động trên cụm ống quá nhiệt cấp 1, cụm ống tái sấy cấp 1 và nhà túi lọc. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm và mô phỏng chuyên sâu từ tháng 9 năm 2022 đến tháng 12 năm 2022. Kết quả mang lại ý nghĩa kinh tế kỹ thuật vượt trội khi việc cải thiện 1% hiệu suất vận hành trong 6.000 giờ mỗi năm có thể tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí nhiên liệu, đồng thời loại bỏ nguy cơ suy giảm công suất về mức 66 MW mỗi khi xảy ra sự cố tắc nghẽn túi lọc tro.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết sóng âm phi tuyến, động lực học màng dao động và cơ chế tương tác đa vật lý giữa trường âm và kết cấu vỏ đàn hồi. Mô hình còi biên dạng hàm mũ được lựa chọn làm trọng tâm nhờ khả năng phối hợp trở kháng âm học tối ưu theo phương trình sóng Webster, giúp áp suất âm luôn đồng pha với vận tốc dao động của phần tử môi trường và giảm thiểu hiện tượng phản xạ ngược sóng tại miệng còi. Dao động cưỡng bức của màng âm Inox 304 dưới tác động của dòng khí nén áp suất 6 bar được mô tả thông qua phương trình vi phân Reddy kết hợp phương pháp tách biến Myith-U và Galerkin để xác định tần số dao động tự nhiên, khối lượng hiệu dụng và độ biến dạng màng.

Bên cạnh đó, khung lý thuyết tích hợp phân tích ổn định động học tuyến tính nhằm kiểm soát hiện tượng tự kích thích rung động của màng âm, kết hợp các công thức tính toán hệ số định hướng và góc bao phủ không gian. Các khái niệm cốt lõi bao gồm trở kháng âm, mức áp suất âm tính theo thang decibel, mức cường độ âm, hiện tượng cộng hưởng âm trường kín và cơ chế làm sạch không phá hủy thông qua việc tạo vi rung động trên bề mặt bám dính mà không gây ứng suất mỏi vượt ngưỡng an toàn cho vật liệu kim loại.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được kết hợp chặt chẽ giữa đo đạc thực nghiệm thực tế và mô phỏng số trên máy tính. Cỡ mẫu thực nghiệm gồm 3 mẫu còi kim loại chuyên dụng có độ dài thân còi lần lượt là 890 mm, 710 mm và 400 mm, tương ứng với các hệ số loe 4,6; 5,3 và 7,3; đường kính màng dao động từ 32 mm đến 45 mm và chiều dày màng 0,3 mm đến 0,5 mm. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích nhằm bao phủ toàn diện dải tần số từ trầm đến trung cao, đáp ứng các tiêu chuẩn đo kiểm âm học định hướng theo quy trình công nghiệp của hãng Klippel GmbH.

Dữ liệu thực nghiệm được thu thập thông qua chu kỳ cấp khí nén 5 giây phát và 5 giây nghỉ trong hai môi trường: không gian mở tự do và buồng thử nghiệm kín có kích thước hình học 1,2 m x 1,2 m x 1,2 m. Đối với phương pháp phân tích, tác giả lựa chọn phần mềm COMSOL Multiphysics tích hợp hai module chuyên biệt: Áp suất âm theo miền tần số PAFD và Tương tác âm thanh - kết cấu ASI dạng vỏ Shell. Lý do lựa chọn phương pháp phân tử hữu hạn đa vật lý này là vì hệ thống ống lò hơi và phễu lọc bụi có hình học không gian 3D cực kỳ phức tạp với hàng ngàn khúc uốn; phương pháp tia âm hình học thông thường không thể mô tả chính xác sự giao thoa sóng âm và phản ứng động lực học của kết cấu thép chịu nhiệt. Toàn bộ quy trình mô phỏng và hiệu chỉnh sai số được thực hiện liên tục trong khoảng thời gian 4 tháng nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã làm sáng tỏ các đặc tính âm học và cơ học quan trọng trong quá trình ứng dụng sóng âm để vệ sinh thiết bị nhiệt điện:

Thứ nhất, đối với hệ thống chân không thu hồi tro, mô hình tối ưu đã được xác định thành công tại nhà túi lọc với phương án bố trí 1 còi sóng âm duy nhất tại đỉnh mái. Còi phát ra tần số tự nhiên 250 Hz với mức áp suất âm tại miệng còi đạt 156,02 dB, tạo ra trường áp suất âm phân bố đồng đều và kích thích biên độ rung động đạt ngưỡng 0,08 mm đến 0,15 mm trên bề mặt khung túi vải, đủ để làm rụng lớp tro sunfat bám dính mà không gây rách màng lọc.

Thứ hai, kết quả mô phỏng trên cụm ống quá nhiệt cấp 1 và cụm ống tái sấy cấp 1 chỉ ra rằng phân bố trường áp suất âm phụ thuộc phần lớn vào tần số phát và cấu trúc hình học không gian buồng lò hơn là số lượng nguồn âm lắp đặt. Tần số sóng âm càng cao từ 500 Hz đến 1.000 Hz càng tạo ra nhiều miền ngược pha xen kẽ với kích thước hình học thu nhỏ, gây hiện tượng triệt tiêu sóng cục bộ.

Thứ ba, phân bố rung động kết cấu chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi cách bố trí giá đỡ và liên kết ống; tần số nguồn âm chỉ đóng vai trò quyết định giá trị biên độ và vị trí cực đại. Đối với các cụm ống quá nhiệt và tái sấy, các nguồn âm khảo sát ở dải tần 100 Hz đến 250 Hz chưa tạo ra biên độ rung động đủ lớn trên toàn bộ dàn ống để bẻ gãy liên kết xỉ cứng nhiệt độ cao, đòi hỏi mức năng lượng âm lớn hơn hoặc thay đổi cấu hình nguồn phát.

Thảo luận kết quả

Các kết quả nghiên cứu phản ánh chính xác bản chất cơ học hạt và tương tác sóng. Tại nhà túi lọc, tro xỉ chủ yếu là tro bay dạng bột xốp sunfat amoni, do đó mức áp suất âm 156,02 dB ở tần số 250 Hz dễ dàng tạo ra dao động cộng hưởng trường kín, phá vỡ liên kết tĩnh điện giữa các hạt tro và bề mặt vải lọc. Ngược lại, tại cụm ống quá nhiệt cấp 1 của lò hơi 330 MW, lớp xỉ bám là xỉ nóng chảy kết tinh có độ cứng cao và độ bám dính bề mặt kim loại rất lớn; biên độ dao động vi mô tạo ra từ các mẫu còi khảo sát chưa vượt qua giới hạn chảy dẻo của xỉ.

Để trực quan hóa các dữ liệu này, toàn bộ phân bố trường áp suất âm được biểu diễn sinh động qua các biểu đồ đẳng trị màu 3D và đồ thị phân bố mức áp suất âm theo thể tích không gian. Dữ liệu biên độ rung động được tổng hợp chi tiết qua các bảng so sánh đa thông số và đồ thị đáp ứng tần số theo tiêu chuẩn rung động đường ống công nghiệp SwRI. Kết quả này hoàn toàn tương thích với các báo cáo thực tế tại hơn 25 quốc gia trên thế giới, khẳng định làm sạch bằng sóng âm phát huy hiệu quả tuyệt đối trong việc chống đóng tro bay và giảm sụt áp dòng khí, đồng thời mở ra tiềm năng nâng cao hiệu suất lò hơi từ 1% đến 4% nếu được thiết kế đúng công suất âm học.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phân tích định lượng và thực nghiệm mô phỏng, tác giả đưa ra 4 nhóm giải pháp trọng tâm nhằm ứng dụng hiệu quả công nghệ làm sạch bằng sóng âm vào thực tiễn nhà máy:

Thứ nhất, triển khai lắp đặt ngay hệ thống 1 còi sóng âm tần số 250 Hz tại đỉnh nhà túi lọc thuộc hệ thống chân không thu hồi tro trong quý 2 năm 2023. Chủ thể thực hiện là Phòng Kỹ thuật phối hợp cùng Phân xưởng Sửa chữa Nhà máy Nhiệt điện Ô Môn I, hướng tới mục tiêu loại bỏ hoàn toàn tình trạng nghẹt túi lọc, duy trì độ chênh áp qua túi dưới ngưỡng 1,2 kPa và chấm dứt tình trạng phải giảm tải tổ máy về 66 MW trong 8 đến 12 giờ.

Thứ hai, thiết kế và nâng cấp mạng đường ống cấp khí nén chuyên dụng áp suất ổn định từ 6 bar đến 8 bar, tích hợp van điện từ điều khiển tự động chu kỳ làm việc 5 giây phát và 5 giây nghỉ theo từng khung giờ cố định. Giải pháp này do Phân xưởng Vận hành đảm trách trong vòng 3 tháng, nhằm bảo đảm lưu lượng và áp lực khí ổn định cho bộ tạo âm màng Inox 304.

Thứ ba, tiếp tục nghiên cứu mở rộng mô hình tối ưu nguồn âm công suất lớn trên 165 dB hoặc dải tần số siêu trầm dưới 80 Hz dành riêng cho cụm ống quá nhiệt cấp 1 và tái sấy cấp 1. Nhóm nghiên cứu cơ điện tử của nhà trường sẽ phối hợp cùng chuyên gia nhà máy trong thời gian 6 tháng để tìm kiếm cấu hình còi có khả năng phá vỡ xỉ bám cứng trước kỳ đại tu định kỳ 4 năm một lần.

Thứ tư, thiết lập quy trình kiểm tra, bảo dưỡng màng âm định kỳ 3 tháng một lần và gắn cảm biến giám sát độ rung, nhiệt độ khói thải trực tuyến tại đuôi lò. Mục tiêu là kiểm soát suất hao nhiệt thô ở mức dưới 9.230 kJ/kWh, góp phần đưa suất tiêu hao nhiên liệu tiến sát mức thiết kế ban đầu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc cho nhiều nhóm đối tượng:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư vận hành, kỹ sư bảo dưỡng và cán bộ quản lý kỹ thuật tại các nhà máy nhiệt điện đốt than, đốt dầu hoặc lò hơi công nghiệp. Luận văn cung cấp số liệu thực chứng và giải pháp thay thế hệ thống thổi bụi truyền thống, giúp tối ưu hóa chi phí vận hành và ngăn ngừa sự cố dừng máy.

Nhóm thứ hai là các nhà nghiên cứu, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ Điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Năng lượng nhiệt và Kỹ thuật Âm học công nghiệp. Tài liệu này là nguồn tham khảo mẫu mực về quy trình toán học mô tả dao động màng Reddy, phương trình sóng Webster và phương pháp tuyến tính hóa hệ thống phi tuyến.

Nhóm thứ ba là các kỹ sư thiết kế thiết bị lọc bụi công nghiệp, hệ thống lọc bụi tĩnh điện ESP và nhà túi lọc Bag-house. Họ có thể ứng dụng trực tiếp thông số còi 250 Hz và 156,02 dB để loại bỏ hiện tượng nghẹt phễu tro và giảm thiểu sụt áp đường ống chân không thu hồi tro.

Nhóm thứ tư là các học viên và chuyên viên phân tích mô phỏng đa vật lý sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics. Bản luận văn trình bày chi tiết các bước thiết lập điều kiện biên, ghép nối module trường âm PAFD với cơ học kết cấu vỏ Shell và xử lý dữ liệu trường áp suất âm 3D.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi thứ nhất: Tại sao còi có biên dạng hàm mũ lại được ưu tiên lựa chọn hơn biên dạng parabol hay hình nón? Trả lời: Còi hàm mũ có khả năng phối hợp trở kháng âm học vượt trội nhất theo phương trình truyền sóng Webster. Trở kháng tại các mặt cắt dọc thân còi luôn duy trì ổn định, giúp áp suất âm đồng pha với vận tốc dao động của hạt không khí, từ đó cực đại hóa năng lượng âm truyền vào không gian buồng xử lý tro.

Câu hỏi thứ tư: Phương pháp làm sạch bằng sóng âm có gây nứt vỡ ống kim loại hoặc rách túi vải lọc hay không? Trả lời: Hoàn toàn không. Sóng âm tần số thấp 250 Hz tạo ra các vi dao động với biên độ chỉ từ vài chục đến vài trăm micromet, thấp hơn rất nhiều so với giới hạn mỏi cơ học của kim loại và độ bền kéo của vải dệt tổng hợp, bảo đảm tính chất làm sạch không phá hủy cấu trúc.

Câu hỏi thứ ba: Việc ứng dụng sóng âm mang lại lợi ích kinh tế cụ thể nào so với phương pháp thổi bụi bằng hơi nước cao áp? Trả lời: Phương pháp sóng âm cắt giảm hoàn toàn 47.160 kg hơi nước tiêu thụ mỗi ngày cho 24 bộ thổi bụi, tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí đại tu và nhân công thay thế phụ tùng, đồng thời nâng cao hiệu suất lò hơi thêm khoảng 1% trong suốt 6.000 giờ vận hành hằng năm.

Câu hỏi thứ tư: Tại sao còi 250 Hz đạt hiệu quả cao tại nhà túi lọc nhưng chưa tối ưu tại cụm ống quá nhiệt? Trả lời: Tro tại nhà túi lọc là tro bay dạng bột xốp với liên kết cơ học yếu, dễ bị phá vỡ bởi mức áp suất âm 156,02 dB. Trong khi đó, xỉ tại cụm ống quá nhiệt là khối kết tinh silicat bám dính rất cứng, đòi hỏi mức năng lượng dao động và biên độ rung lớn hơn nhiều để bẻ gãy liên kết.

Câu hỏi thứ năm: Các thông số đầu vào nào mang tính quyết định nhất khi mô phỏng tương tác âm thanh - kết cấu trong lò hơi? Trả lời: Hai thông số quyết định nhất là tần số dao động tự nhiên của nguồn âm và đặc tính hình học không gian buồng chứa. Tần số phát quyết định sự hình thành các vùng cùng pha hoặc ngược pha, trong khi kết cấu hình học và vị trí gá đặt quyết định mức độ cộng hưởng của trường áp suất âm.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết toàn diện bài toán ứng dụng công nghệ làm sạch bằng sóng âm cho hệ thống thiết bị nhiệt điện công nghiệp:

• Xây dựng thành công cơ sở lý thuyết chuẩn xác cho còi hàm mũ sử dụng khí nén và hoàn thiện mô hình toán học mô tả dao động màng âm Inox 304 theo phương trình vi phân Reddy.
• Hoàn thành quy trình thực nghiệm đo mức cường độ âm của 3 mẫu còi trong không gian mở và buồng kín 1,2 m x 1,2 m x 1,2 m dưới áp suất 6 bar theo tiêu chuẩn Klippel GmbH.
• Thiết lập hoàn chỉnh mô hình mô phỏng đa vật lý PAFD và ASI trên phần mềm COMSOL Multiphysics cho cụm ống quá nhiệt cấp 1, cụm tái sấy cấp 1 và nhà túi lọc của tổ máy 330 MW.
• Xác định giải pháp kỹ thuật tối ưu cho nhà túi lọc với 1 còi sóng âm đặt tại đỉnh mái có tần số 250 Hz, mức áp suất âm 156,02 dB, giúp ngăn ngừa nghẹt tro và duy trì áp suất chân không ổn định.
• Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng chỉ ra rằng phân bố áp suất âm phụ thuộc lớn vào tần số và hình học buồng chứa hơn là số lượng còi, định hướng cho các nghiên cứu nguồn âm công suất cao tiếp theo.

Bước phát triển tiếp theo trong giai đoạn 2023 đến 2024 là tiến hành chế tạo thử nghiệm còi âm tần số thấp công suất lớn và lắp đặt thực tế tại Nhà máy Nhiệt điện Ô Môn I. Các đơn vị quản lý vận hành nhiệt điện và nhà nghiên cứu công nghệ năng lượng hãy liên hệ và khai thác ngay các dữ liệu mô phỏng quý giá từ công trình này để hiện đại hóa quy trình bảo dưỡng và tối ưu hóa hiệu suất lò hơi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Trong quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa, ngành công nghiệp năng lượng luôn là nền móng cho sự phát triển cho tất cả các ngành công nghiệp khác. Mạng lưới phát và truyền tải điện phát triển liên tục nhằm đáp ứng nhu cầu phụ tải điện ngày càng gia tăng. Song song với lợi thế của các loại năng lượng tái tạo khi tham gia lưới điện quốc gia là thách thức về quá trình đáp ứng phụ tải trong các giờ cao điểm, khi công suất của các nguồn năng lượng tái tạo giảm. Vì vậy, để đảm bảo an ninh năng lượng vai trò của các nhà máy nhiệt điện và thủy điện vẫn cực kỳ quan trọng, đặc biệt là các nhà máy nhiệt điện (than, dầu) có khả năng đáp ứng nhanh với công suất lớn và không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết như thủy điện.

Tuy nhiên, nhà máy nhiệt điện lại có nhược điểm là có số lượng thiết bị rất lớn và có những hư hỏng nghiêm trọng xảy ra thường xuyên ảnh hưởng đến quá trình vận hành liên tục của các nhà máy. Trong đó, tiêu biểu là bục, nổ ống lò và nghẹt tro trong hệ thống chân không thu hồi tro. Cách khắc phục các hư hỏng trên luôn là vấn đề được quan tâm trong tất cả các nhà máy nhiệt điện và cũng là lý do để thực hiện đề tài luận văn này. Chương đầu tiên sẽ giới thiệu sơ lược về hoạt động của hệ thống lò hơi và hệ thống chân không thu hồi tro của tổ máy S1, Nhà máy Nhiệt điện Ô Môn I thuộc Công ty Nhiệt điện Cần Thơ, trình bày cụ thể hiện trạng và nguyên nhân của các hư hỏng đã nêu, đồng thời so sánh giữa các phương pháp có thể áp dụng để khắc phục.

Giới thiệu chung 1. Hệ thống lò hơi Lò hơi được đề cập trong luận văn là lò hơi sử dụng nhiên liệu dầu F.O, thiết kế theo nguyên lý cận tới hạn, tuần hoàn cưỡng bức có tái sấy với công suất 330 MW và được chia làm 2 phần chính là Nước-Hơi và Gió-Khói với quá trình hoạt động diễn ra như sau: 2  Phần Nước-Hơi: Nước loại khoáng từ hệ thống xử lý nước sẽ được bơm nước cấp (Boiler Feed Pump/BFP) cấp đến bộ hâm (Economizer/ECO) để tận dụng lượng nhiệt dư từ khói thải để gia nhiệt nước, sau đó nước sẽ đi qua các ống sinh hơi (Waterwall) để được gia nhiệt thành hơi bão hòa ẩm. Bơm tuần hoàn lò hơi (Boiler Circulating Pump/BCP) cưỡng bức dòng hơi bão hòa ẩm tuần hoàn giữa ống sinh hơi và bao hơi (Steam Drum) để tách ẩm. Hơi bão hòa khô từ bao hơi tiếp tục đi đến bộ quá nhiệt (Superheater/SH) thông qua ống trần và vách đuôi lò (2ry pass & roof tube) và được gia nhiệt thành hơi quá nhiệt trước khi cấp đến tuabin cao áp.

Hơi ra khỏi tuabin cao áp sẽ đi qua bộ tái sấy (Reheater/RH) để tiếp tục tận dụng lượng nhiệt từ khói thải gia nhiệt hơi cấp đến tuabin trung áp. Các bước của quá trình trên được biểu diễn qua dạng sơ đồ ở Hình 1. Sơ đồ quá trình hoạt động của phần Nước-Hơi.  Phần Gió-Khói: Không khí được cấp vào lò bởi quạt gió lò (Force Draft Fan/FDF) sẽ được gia nhiệt hai cấp bằng bộ sấy gió bằng hơi (Steam Air Heater/SAH) và bộ gia nhiệt gió-khói (Gas-Air Heater/GAH).

Không khí và nhiên liệu sau khi tham gia phản ứng cháy sẽ tạo thành khói thải, khói thải sẽ 3 được sử dụng để gia nhiệt gió trước khi vào lò tại GAH, sau đó sẽ đi qua hệ thống lọc bụi tĩnh điện (Electro Static Precipitator/ESP), một phần khói thải sau khi qua ESP sẽ tạo thành tro (NH4)2SO4 và được thu hồi để xử lý bởi hệ thống chân không thu hồi tro (Ash Handling System). Phần còn lại tiếp tục đi đến hệ thống khử lưu huỳnh trong khói thải (Flue Gas Desulfurization/FGD) và được nâng áp bởi quạt nâng áp (Boost Up Fan/BUF) trước khi được xả qua ống khói. Quá trình trên được biểu diễn qua Hình 1. Sơ đồ quá trình hoạt động của phần Gió-Khói.

Hệ thống chân không thu hồi tro Hệ thống chân không thu hồi tro là một trong các hệ thống thiết bị phụ lò hơi, có nhiệm vụ thu hồi tro để xử lý cho cả 2 tổ máy. Quá trình hoạt động của hệ thống diễn ra như sau: tro bay của GAH, ECO và tro sau khi được xử lý bởi ESP sẽ rớt xuống các phễu (GAH/ECO/ESP hopper) và được gia nhiệt bởi bộ gia nhiệt tro bằng hơi (Ash Steam Air Heater) để tro không bị ẩm đồng thời được quạt chân không thu hồi tro (Vacuum Blower) tạo áp âm rút đưa đến nhà túi lọc (Bag-house/Bag-filter) thông qua các đường chuyển tro (Ash conveyor line) trước khi về bồn chứa tro (Ashbin) và đưa đi xử lý. Quá trình trên được biểu diễn ở dạng sơ đồ theo Hình 1. Sơ đồ quá trình hoạt động của hệ thống chân không thu hồi tro.

Hiện trạng các thiết bị a) Hệ thống lò hơi Đặc điểm của hệ thống lò hơi là các đường ống được bố trí phức tạp và số lượng lớn nhằm tạo ra diện tích trao đổi nhiệt lớn (Hình 1.4), nhưng nhược điểm là cũng tạo thêm diện tích và các góc khuất để xỉ có thể bám bên ngoài đường ống (Hình 1.5) và làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt khiến nhiệt độ khói thải và lưu lượng nước phun giảm ôn tăng cao[1] (Hình 1.6), giảm hiệu suất lò[1] (Hình 1.7), tăng suất hao nhiên liệu. Lớp xỉ bám dày cũng làm giảm đáng kể tốc độ dòng chảy, chênh lệch áp suất trong ống hoặc gây quá nhiệt cục bộ dẫn đến bục, nổ đường ống. Để vệ sinh xỉ bám, hệ thống đã được lắp đặt các bộ thổi bụi nhưng hiệu quả lại rất thấp và tiêu tốn chi phí do sử dụng hơi nước cao áp được trích từ đường hơi phụ 5 dịch và thường xuyên hư hỏng, cần thay thế vật tư rất nhiều lần với các hư hỏng phổ biến như hư hộp giảm tốc, xì nhớt, hư động cơ, kẹt trong quá trình công tác… Hình 1. Ví dụ về đặc điểm hình học đường ống lò hơi.

Xỉ bám trên ống quá nhiệt cấp 1 tổ máy S1 nhà máy Nhiệt điện Ô Môn I. Đồ thị nhiệt độ khói thải (trái) và lưu lượng nước phun giảm ôn bộ quá nhiệt (phải) [1]. Đồ thị biểu diễn sự suy giảm hiệu suất của lò hơi qua thời gian [1]. 7 b) Hệ thống chân không thu hồi tro Hệ thống chân không thu hồi tro chủ yếu sự dụng nguyên lý chân không để chuyển tro, vì vậy khi suy giảm áp suất chân không do nghẹt túi lọc hoặc giảm hiệu suất lọc sẽ dẫn đến tắc nghẽn đường ống, nghẹt phễu (Hình 1.8) trong đó:  Khi bị nghẹt tro ở nhà túi lọc (Hình 1.a) cần giảm công suất cả 2 tổ máy xuống 66 MW trong trung bình 8 giờ để giảm nhiệt độ đủ điều kiện làm việc thay túi lọc.

 Sự suy giảm hiệu suất tại nhà túi lọc cũng dẫn đến tăng sự tích lũy tro trong các phễu ESP và gây nghẹt phễu (Hình 1.b), khi nhiều phễu tro nghẹt đồng thời cần giảm công suất của tổ máy có phễu nghẹt xuống 66 MW trong 2-3 giờ để xả tro ra sàn và tiêu tốn rất nhiều nhân công để xả tro cũng như dọn dẹp đưa vào các bao tải để xử lý. Mô tả hiện tượng nghẹt tro tại nhà túi lọc[2]. 8 a) ngẹt bên trong nhà túi lọc b) nghẹt phễu tro Hình 1. Nghẹt tro tại tổ máy S1 nhà máy Nhiệt điện Ô Môn I.

Hiện trạng chi phí vận hành và sửa chữa a) Chi phí vật tư, vận hành, bảo dưỡng cho thiết bị thổi bụi Vật tư:  Số lượng: 24 bộ/tổ máy  Đơn giá: 2.248 đ/bộ  Thành tiền: P1 = 48.952 đ Vận hành:  1 bộ: 655 kg/chu trình  Số lượng chu trình: 3 chu trình/ngày  Tổng lưu lượng: Q1 = 47160 kg/ngày.  Chi phí tạo hơi: 𝐸 45.  Chi phí tạo hơi trên 6000 giờ vận hành: 𝐸 11.000 đ Bảo dưỡng:  KTĐK: 3 lần/năm  Đại tu: 4 năm/lần  Chi phí đại tu 1 lần chưa bao gồm chi phí nhân công (dự toán SCL lò hơi 2022): 𝐸 11.587 đ 9 b) Chi phí khắc phục nghẹt tro cho nhà túi lọc Bảng 1. Chi phí khắc phục nghẹt tro cho nhà túi lọc.

Hạng mục Số lượng Đơn giá Thành tiền Nhân công 100 300.000  Số lượng hư hỏng trung bình: 2 lần/năm  Doanh thu công suất cố định 1h: 60.050 đ  Thời gian giảm công suất khi nghẹt tro: 12 giờ  Tổng chi phí khắc phục nghẹt tro: 𝐸 2 30.960 đ c) Hiệu suất và chi phí đốt dầu năm 2020 Bảng 1. Hiệu suất thực hiện năm 2020. Tổ Suất hao nhiệt thô Hiệu suất Hiệu suất thiết kế Tỷ lệ giữa máy (kJ/kWh) (%) (%) HSTT/HSTK S1 9230 H1 = 39,003 H = 41,908 93,069 S2 9230 39,003 41,972 92,928 Bảng 1. Chi phí thực hiện cho một giờ đốt.

Tổ Suất tiêu hao nhiên liệu cho Giá dầu FO Chi phí máy công suất 330 MW (g/kWh) (VNĐ/kg) (VNĐ) S1 S1 = 223,676 𝑃 15.256 d) Lợi ích kinh tế khi cải thiện hiệu suất  Hiệu suất cải thiện trung bình trên tỉ lệ hiệu suất thực tế và hiệu suất thiết kế: 1% => H2 = 39,422 %  Suất hao nhiên liệu cải thiện: S2 = 221,299 g/kWh  Chi phí thực hiện trên 1 giờ đốt: 330.371,2 đ 1000 10  Mức làm lợi trên cải thiện suất hao sau 6000 giờ vận hành (1 năm): 𝐵 𝐸 𝐸 6000 72.800 đ e) Lợi ích kinh tế khi khắc phục được nghẹt tro tại nhà túi lọc  Tổng mức làm lợi trên 6000 giờ vận hành: B3 = E4 =1. Các phương pháp làm sạch cho hệ thống lò hơi và hệ thống chân không thu hồi tro Hiện nay có rất nhiều phương pháp đã được thực hiện và đang được nghiên cứu áp dụng tùy thuộc vào độ khả thi kỹ thuật và điều kiện tài chính của từng nhà máy nhằm áp dụng để loại bỏ tro xỉ bám. Trong đó, tại hệ thống lò hơi của nhà máy Nhiệt điện Ô Môn I hiện đang sử dụng phương pháp thổi bụi bằng hơi cao áp và nhân công vệ sinh, tại hệ thống chân không thu hồi tro đang sử dụng phương pháp sử dụng vòi phun khí nén, xung khí nén và động cơ rung. Ngoài các phương pháp đang được sử dụng còn có các phương pháp khác khá phổ biến và có những đặc điểm riêng biệt cho từng hệ thống được thể hiện qua Bảng 1.

Đặc điểm của các phương pháp làm sạch cho hệ thống lò hơi và chân không thu hồi tro.