Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hệ thống năng lượng và công nghiệp sản xuất, điện năng giữ vai trò nền tảng cho sự phát triển kinh tế. Phần lớn sản lượng điện năng trên thế giới và tại Việt Nam được cung cấp bởi các nhà máy nhiệt điện. Trong dây chuyền công nghệ nhiệt điện, lò hơi (nồi hơi) là thiết bị nhiệt quan trọng hàng đầu, đảm nhiệm chức năng chuyển hóa hóa năng tàng trữ trong nhiên liệu thành nhiệt năng của dòng hơi nước có áp suất và nhiệt độ cao để dẫn động tuabin hơi hoặc phục vụ làm chất tải nhiệt trung gian trong các quá trình công nghệ gia nhiệt sản phẩm.

Đề tài "Thiết kế lò hơi công suất 125 tấn: Tiểu luận và đồ án" do sinh viên Nguyễn Đình Luyện (Lớp 16N1) thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Hoàng Ngọc Đồng. Đồ án tập trung giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho một lò hơi công nghiệp/nhà máy điện đốt than bột với các nhiệm vụ và thông số kỹ thuật được xác lập cụ thể như sau:

  1. Sản lượng hơi định mức ($D$): $125\text{ tấn/h}$ ($125\text{ T/h}$).
  2. Áp suất hơi ở đầu ra bộ quá nhiệt ($p_{\text{qn}}$): $6,4\text{ MPa}$ ($64\text{ bar}$).
  3. Nhiệt độ hơi ở đầu ra bộ quá nhiệt ($t_{\text{qn}}$): $445^\circ\text{C}$.
  4. Nhiệt độ nước cấp vào lò ($t_{\text{nc}}$): $180^\circ\text{C}$.
  5. Đặc tính nhiên liệu đốt (Than gầy):
    • Cacbon làm việc ($C^{\text{lv}}$): $70,55%$
    • Hydro làm việc ($H^{\text{lv}}$): $4,79%$
    • Nitơ làm việc ($N^{\text{lv}}$): $6,05%$
    • Oxy làm việc ($O^{\text{lv}}$): $2,02%$
    • Lưu huỳnh làm việc ($S^{\text{lv}}$): $0,59%$
    • Độ tro làm việc ($A^{\text{lv}}$): $8,5%$
    • Độ ẩm làm việc ($W^{\text{lv}}$): $7,5%$
    • Hàm lượng chất bốc cháy ($V^{\text{c}}$): $12%$
  6. Nhiệt trị thấp làm việc ($Q_{\text{t}}^{\text{lv}}$): $28,99\text{ MJ/kg} = 28.990\text{ kJ/kg}$.
  7. Nhiệt độ biến dạng của tro ($t_1$): $1100^\circ\text{C}$.
  8. Nhiệt độ không khí lạnh ($t_{\text{kkl}}$): $30^\circ\text{C}$ (nhiệt độ môi trường).
  9. Nhiệt độ không khí nóng sau bộ sấy ($t_{\text{kkn}}$): $350^\circ\text{C}$.
  10. Nhiệt độ khói thải ra khỏi lò ($\theta_{\text{th}}$): $120^\circ\text{C}$.

Phạm vi nghiên cứu của tài liệu bao gồm các bước xác định sơ bộ cấu trúc không gian lò hơi, tính toán nhiệt động quá trình cháy lý thuyết và thực tế, lập bảng cân bằng nhiệt toàn lò, xác định hiệu suất, thiết kế kích thước hình học và trao đổi nhiệt bức xạ buồng lửa, cùng tính toán truyền nhiệt cụ thể cho cụm pheston cửa ra buồng lửa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán thiết kế

Nghiên cứu áp dụng các phương pháp và tiêu chuẩn tính toán nhiệt thiết bị lò hơi công nghiệp và nhà máy nhiệt điện theo hệ thống tài liệu chuyên ngành nhiệt năng:

  • Phương pháp cân bằng vật chất và thể tích sản phẩm cháy: Tính toán nhu cầu không khí lý thuyết, thể tích khói khô, hơi nước, thể tích khói thực và nồng độ tro bay theo thành phần hóa học của 1 kg nhiên liệu làm việc.
  • Phương pháp cân bằng nhiệt lò hơi (Nhiệt động lực học kỹ thuật): Thiết lập phương trình cân bằng giữa lượng nhiệt đưa vào lò ($Q_{\text{đv}}$), lượng nhiệt hữu ích sinh hơi ($Q_1$) và các dạng tổn thất nhiệt ($q_2, q_3, q_4, q_5, q_6$) nhằm xác định hiệu suất nhiệt của lò hơi ($\eta_{\text{lò}}$) cùng lưu lượng tiêu hao nhiên liệu tính toán ($B_{\text{tt}}$).
  • Phương pháp tính trao đổi nhiệt buồng lửa: Dựa trên mô hình bức xạ thể tích trong buồng lửa một buồng, xác định nhiệt độ cháy đoạn nhiệt ($\theta_{\text{a}}$), hệ số làm yếu bức xạ của môi trường khí ba nguyên tử ($k_{\text{r}}$), hạt tro bay ($k_{\mu\text{tr}}$) và hạt cốc ($k_{\text{C}}$), từ đó xác định độ đen ngọn lửa ($a_{\text{nl}}$), độ đen buồng lửa ($a_{\text{bl}}$) và nhiệt độ khói rời buồng lửa ($\theta''_{\text{bl}}$).
  • Phương pháp tính truyền nhiệt đối lưu và bức xạ chùm ống (Pheston): Tính toán hệ số tỏa nhiệt đối lưu ($\alpha_{\text{đl}}$) bằng tiêu chuẩn thực nghiệm, hệ số tỏa nhiệt bức xạ của dòng khói ($\alpha_{\text{bx}}$), hệ số truyền nhiệt tổng quát ($k$), độ chênh nhiệt độ logarit ($\Delta t$) và áp dụng phương pháp đồ thị ba điểm để xác định chính xác nhiệt độ khói ra khỏi cụm pheston ($\theta''_{\text{ph}}$).
  • Nguồn dữ liệu: Các công thức, toán đồ tra cứu hệ số hình học, nhiệt dung riêng chất khí, entanpi khói và hơi nước bão hòa được trích xuất từ tài liệu hướng dẫn thiết kế lò hơi của PGS.TS Hoàng Ngọc Đồng và các bảng số liệu tiêu chuẩn nhiệt kỹ thuật.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Xác định sơ bộ dạng lò hơi

Chương này trình bày các giải pháp lựa chọn cấu trúc tổng thể và nguyên lý bố trí các cụm bề mặt trao đổi nhiệt:

  • Phương pháp đốt và cấu trúc buồng lửa: Với công suất định mức $125\text{ T/h}$ sử dụng nhiên liệu rắn là than gầy có hàm lượng chất bốc thấp ($V^{\text{c}} = 12%$), tác giả chọn phương pháp đốt buồng lửa phun than bột. Bố trí lò theo hình chữ $\Pi$ truyền thống, cho phép đặt toàn bộ các thiết bị phụ trợ tải trọng lớn (quạt gió, quạt khói, bộ khử bụi, ống khói) ở cao trình thấp nhất. Phương pháp thải xỉ được phân tích dựa trên đặc tính than gầy và kết cấu đáy buồng lửa.
  • Cấu trúc cụm pheston: Cụm pheston được tạo thành từ phần kéo dài của các ống dàn tường sau buồng lửa nối lên bao hơi, đặt ngay tại cửa ra buồng lửa. Để khói lưu thông thuận lợi, giảm trở lực, tránh hiện tượng bám tro xỉ và mài mòn ống do nhiệt độ khói tại cửa ra rất cao, cụm pheston được chia thành 4 dãy ống bố trí so le thưa.
  • Dạng cấu trúc bộ quá nhiệt: Do nhiệt độ hơi quá nhiệt yêu cầu là $t_{\text{qn}} = 445^\circ\text{C} < 510^\circ\text{C}$, bộ quá nhiệt được thiết kế theo kiểu đối lưu, bố trí đứng trong vùng nhiệt độ khói thấp hơn $1050^\circ\text{C}$ (ngay sau pheston). Khoảng cách giữa các dàn ống từ $0,7 - 0,9\text{ m}$. Bộ quá nhiệt được phân thành 2 cấp nhằm phân bố đồng đều trở lực, giảm ứng suất nhiệt và cho phép sử dụng vật liệu hợp lý theo từng dải nhiệt độ, tiết kiệm kim loại hợp kim đắt tiền.
  • Bố trí bộ hâm nước (BHN) và bộ sấy không khí (BSKK): Với nhiệt độ không khí nóng yêu cầu cao ($t_{\text{kkn}} = 350^\circ\text{C}$), bộ sấy không khí được chia làm 2 cấp. Để bảo vệ bộ sấy không khí cấp 2 không bị hư hỏng do tiếp xúc với dòng khói có nhiệt độ quá cao ngay sau bộ quá nhiệt, tác giả bố trí bộ hâm nước thành 2 cấp đặt xen kẽ: Bộ quá nhiệt $\rightarrow$ Bộ hâm nước cấp 2 $\rightarrow$ Bộ sấy không khí cấp 2 $\rightarrow$ Bộ hâm nước cấp 1 $\rightarrow$ Bộ sấy không khí cấp 1.
  • Nhiệt độ thông số chọn trước: Nhiệt độ khói thải $\theta_{\text{th}} = 120^\circ\text{C}$; nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa $\theta''{\text{bl}} < t_1 - (50 \div 100^\circ\text{C}) = 1000 \div 1050^\circ\text{C}$; nhiệt độ không khí nóng $t{\text{kkn}} = 350^\circ\text{C}$.

Chương II: Tính toán quá trình cháy của nhiên liệu

Chương II thực hiện các phép tính cân bằng vật chất khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg than gầy:

  • Thể tích không khí lý thuyết ($V^0_{\text{kk}}$): $$V^0_{\text{kk}} = 0,0889(C^{\text{lv}} + 0,375S^{\text{lv}}) + 0,265H^{\text{lv}} - 0,033O^{\text{lv}} = 7,494\text{ m}^3\text{tc/kg}$$
  • Thể tích sản phẩm cháy lý thuyết:
    • Khí ba nguyên tử ($V_{\text{RO}2} = V{\text{CO}2} + V{\text{SO}_2}$): $1,32\text{ m}^3\text{tc/kg}$
    • Khí nitơ lý thuyết ($V^0_{\text{N}_2}$): $5,92\text{ m}^3\text{tc/kg}$
    • Hơi nước lý thuyết ($V^0_{\text{H}_2\text{O}}$): $0,745\text{ m}^3\text{tc/kg}$
    • Khói khô lý thuyết ($V^0_{\text{kkho}}$): $7,24\text{ m}^3\text{tc/kg}$
    • Tổng thể tích khói lý thuyết ($V^0_{\text{k}}$): $7,985\text{ m}^3\text{tc/kg}$
  • Hệ số không khí thừa ($\alpha$) và lượng không khí lọt: Hệ số không khí thừa tại đầu ra buồng lửa được chọn là $\alpha''_{\text{bl}} = 1,25$. Lượng không khí lọt qua các cụm bề mặt đốt lần lượt là: Buồng lửa ($0,1$), Pheston ($0$), Bộ quá nhiệt cấp 2 ($0,03$), Bộ quá nhiệt cấp 1 ($0,03$), Bộ hâm nước cấp 2 ($0,02$), Bộ sấy không khí cấp 2 ($0,03$), Bộ hâm nước cấp 1 ($0,02$), Bộ sấy không khí cấp 1 ($0,03$).
STT Bề mặt trao đổi nhiệt Hệ số $\alpha'$ vào Hệ số $\alpha''$ ra $\alpha_{\text{tb}}$ Thể tích khói $V_{\text{k}}$ ($\text{m}^3\text{tc/kg}$) Phân thể tích $r_{\text{RO}_2}$ Phân thể tích $r_{\text{H}_2\text{O}}$ Nồng độ tro $\mu_{\text{tr}}$ ($\text{g/m}^3\text{tc}$)
1 Buồng lửa & Pheston 1,15 1,25 1,250 9,858 0,134 0,076 8,19
2 Bộ quá nhiệt cấp 2 1,25 1,28 1,265 9,971 0,132 0,075 8,10
3 Bộ quá nhiệt cấp 1 1,28 1,31 1,295 10,196 0,129 0,073 7,92
4 Bộ hâm nước cấp 2 1,31 1,33 1,320 10,383 0,127 0,072 7,78
5 Bộ sấy không khí cấp 2 1,33 1,36 1,345 10,570 0,125 0,071 7,64
6 Bộ hâm nước cấp 1 1,36 1,38 1,370 10,755 0,123 0,070 7,51
7 Bộ sấy không khí cấp 1 1,38 1,41 1,395 10,945 0,120 0,068 7,38
  • Entanpi của khói và không khí: Tác giả lập bảng giá trị entanpi lý thuyết ($I^0_{\text{kk}}, I^0_{\text{k}}$) và entanpi thực tế của khói ($I_{\text{k}}$) theo dải nhiệt độ từ $100^\circ\text{C}$ đến $2200^\circ\text{C}$ phục vụ tính cân bằng nhiệt và nội suy nhiệt độ khói tại từng khu vực.

Chương III: Tính cân bằng nhiệt lò hơi

Chương III xác định hiệu quả sử dụng năng lượng và các tổn thất nhiệt của lò hơi:

  • Nhiệt lượng đưa vào lò ($Q_{\text{đv}}$): Tính cho 1 kg nhiên liệu, $Q_{\text{đv}} = Q_{\text{t}}^{\text{lv}} = 28.990\text{ kJ/kg}$ (do nhiệt vật lý nhiên liệu $Q_{\text{nl}} \approx 0$, nhiệt không khí ngoài $Q_{\text{nkk}} = 0$, nhiệt phun hơi $Q_{\text{ph}} = 0$).
  • Xác định các tổn thất nhiệt:
    • Tổn thất do cháy không hoàn toàn về hóa học ($q_3$): $0%$ (than gầy, buồng lửa phun).
    • Tổn thất do cháy không hoàn toàn về cơ học ($q_4$): $3%$ $\rightarrow Q_4 = 869,7\text{ kJ/kg}$.
    • Tổn thất do khói thải mang ra ngoài ($q_2$): Với $\theta_{\text{th}} = 120^\circ\text{C}, \alpha_{\text{th}} = 1,41, I_{\text{th}} = 2.831,896\text{ kJ/kg}$, tính được $q_2 = 8,16%$ $\rightarrow Q_2 = 2.365,58\text{ kJ/kg}$.
    • Tổn thất do tỏa nhiệt ra môi trường ($q_5$): Tra theo sản lượng $D = 125\text{ T/h}$, $q_5 = 0,575%$ $\rightarrow Q_5 = 166,69\text{ kJ/kg}$.
    • Tổn thất vật lý do xỉ thải ra đáy buồng lửa ($q_6$): Bằng $0%$.
  • Hiệu suất nhiệt của lò hơi ($\eta_{\text{lò}}$): $$\eta_{\text{lò}} = 100 - (q_2 + q_3 + q_4 + q_5 + q_6) = 100 - (8,16 + 0 + 3 + 0,575 + 0) = 88,265%$$
  • Nhiệt lượng sử dụng hữu ích ($Q_1$): $$Q_1 = Q_{\text{đv}} - \sum Q_i = 28.990 - 2.365,58 - 869,7 - 166,69 = 25.588,03\text{ kJ/kg}$$ Entanpi hơi quá nhiệt ($t_{\text{qn}} = 445^\circ\text{C}, p_{\text{qn}} = 64\text{ bar}$) là $i_{\text{qn}} = 3.280,532\text{ kJ/kg}$; entanpi nước cấp ($t_{\text{nc}} = 180^\circ\text{C}$) là $i_{\text{nc}} = 1.037,5\text{ kJ/kg}$.
  • Lượng tiêu hao nhiên liệu:
    • Nhiên liệu tiêu hao thực tế: $B = 22.811,39\text{ kg/h}$.
    • Nhiên liệu tiêu hao tính toán: $B_{\text{tt}} = B\left(1 - \frac{q_4}{100}\right) = 22.127,05\text{ kg/h} = 6,15\text{ kg/s}$.

Chương IV: Thiết kế buồng lửa

Chương này tính toán kích thước hình học không gian và quá trình trao đổi nhiệt bức xạ trong buồng lửa:

  • Kích thước hình học buồng lửa:
    • Nhiệt thế thể tích định mức: Chọn $q_{\text{v}} = 140\text{ kW/m}^3 \rightarrow$ Thể tích buồng lửa sơ bộ $V_{\text{bl}} = 1.273,5\text{ m}^3$. Thể tích kiểm tra tính toán đạt $V_{\text{bl}}^{\text{tt}} = 1.358\text{ m}^3$ với $q_{\text{v}}^{\text{tt}} = 131,28\text{ kW/m}^3$.
    • Tiết diện ngang buồng lửa: Với nhiệt thế tiết diện $q_{\text{f}} = 4.160\text{ kW/m}^2$, tính được $f_{\text{bl}} = 42,86\text{ m}^2$.
    • Kích thước mặt bằng: Chiều sâu $b = 8\text{ m}$, chiều rộng $a = 5,5\text{ m}$ (tiết diện $5,5\text{ m} \times 8\text{ m}$).
    • Chiều cao buồng lửa: Chiều dài ngọn lửa $l_{\text{nl}} = 14\text{ m}$, chiều cao phần lăng trụ $h_{\text{ltr}} \approx 21,2\text{ m}$, tổng chiều cao tính toán buồng lửa $h_{\text{bl}}^{\text{tt}} = 33,3\text{ m}$.
    • Bố trí vòi phun: 10 vòi phun bột than dạng tròn, công suất mỗi vòi $2,2\text{ tấn/h}$, bố trí thành 2 hàng tại tường trước (mỗi hàng 5 vòi).
    • Đáy buồng lửa: Phễu tro lạnh tạo bởi dàn ống nghiêng góc $55^\circ$ so với phương ngang ($35^\circ$ so với phương đứng), kích thước cửa thải xỉ $1\text{ m} \times 5,5\text{ m}$.
  • Đặc tính dàn ống sinh hơi buồng lửa:
    • Đường kính ngoài ống $d = 50\text{ mm}$, bước ống $s = 65\text{ mm}$ ($s/d = 1,3$), khoảng cách tâm ống đến tường $e = 40\text{ mm}$.
    • Số lượng ống: Tường trước 92 ống, tường sau 92 ống, tường bên 70 ống.
    • Hệ số góc dàn ống $\chi = 0,98$; hệ số bám bẩn $\zeta = 0,45 \rightarrow$ Hệ số hiệu quả nhiệt $\psi = 0,441$.
    • Tổng diện tích bề mặt hấp thụ bức xạ buồng lửa: $\Sigma H_{\text{bx}} = 239,35\text{ m}^2$.
  • Cân bằng trao đổi nhiệt buồng lửa:
    • Nhiệt lượng sinh ra hữu ích: $Q_{\text{bl}} = 30.683,76\text{ kJ/kg}$.
    • Nhiệt độ cháy đoạn nhiệt: $\theta_{\text{a}} = 1942,5^\circ\text{C}$.
    • Hệ số làm yếu bức xạ bởi khí, tro bay và hạt cốc: $k = 13,55 \rightarrow$ Độ đen ngọn lửa $a_{\text{nl}} \approx 1,0$; độ đen buồng lửa $a_{\text{bl}} \approx 1,0$.
    • Nhiệt lượng hấp thụ bức xạ: $Q_{\text{bx}} = 16.121,05\text{ kJ/kg}$.
    • Nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa tính toán kiểm tra: $\theta''{\text{bl}} = 1012,6^\circ\text{C}$ (chênh lệch dưới $100^\circ\text{C}$ so với giả thiết $1050^\circ\text{C}$, thỏa mãn điều kiện kiểm tra không cần tính lặp). Entanpi khói tương ứng $I''{\text{bl}} = 14.465,4\text{ kJ/kg}$.

Chương V: Thiết kế dãy pheston

Chương V tập trung tính toán cấu tạo và trao đổi nhiệt đối lưu - bức xạ cho cụm pheston:

  • Đặc tính cấu tạo cụm pheston:
    • Ống trơn đường kính ngoài $d = 50\text{ mm}$, chiều dài mỗi ống $l = 4,6\text{ m}$.
    • Gồm 4 dãy ống bố trí so le, mỗi dãy có 23 ống (tổng cộng 92 ống, uốn từ dàn ống tường sau).
    • Bước ống ngang $S_1 = 250\text{ mm}$ ($S_1/d = 5$), bước ống dọc $S_2 = 200\text{ mm}$ ($S_2/d = 4$).
    • Tổng diện tích bề mặt pheston $H_{\text{p}} = 66,44\text{ m}^2$, trong đó diện tích chịu bức xạ $H_{\text{Phbx}} = 49,83\text{ m}^2$, diện tích chịu đối lưu $H_{\text{Phdl}} = 16,61\text{ m}^2$.
    • Tiết diện đường khói trung bình qua pheston: $F_{\text{p}} = 23,63\text{ m}^2$.
  • Kết quả tính toán truyền nhiệt:
    • Vận tốc khói qua pheston: $\omega_{\text{k}} \approx 4,42 \div 4,51\text{ m/s}$.
    • Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu: $\alpha_{\text{đl}} \approx 35,4 \div 35,78\text{ W/m}^2\text{K}$.
    • Hệ số trao đổi nhiệt bức xạ: $\alpha_{\text{bx}} \approx 156,83 \div 161,25\text{ W/m}^2\text{K}$.
    • Hệ số truyền nhiệt tổng quát: $k \approx 144,17 \div 147,77\text{ W/m}^2\text{K}$.
    • Nhiệt độ nước bão hòa trong ống: $t_{\text{bh}} = 335,5^\circ\text{C}$ (ứng với áp suất bao hơi $p = 138\text{ bar}$).
    • Nhiệt độ vách ống: $t_{\text{v}} = 415,5^\circ\text{C}$.
    • Xác định chính xác bằng đồ thị ba điểm: Nhiệt độ khói sau pheston đạt $\theta''{\text{ph}} = 955,4^\circ\text{C}$, entanpi khói tương ứng $I''{\text{ph}} = 13.561,84\text{ kJ/kg}$. Lượng nhiệt pheston truyền bằng đối lưu đạt $Q_{\text{đlph}} = 898,14\text{ kJ/kg}$.

Kết quả và thông số thiết kế kỹ thuật

Toàn bộ kết quả tính toán động học dòng cháy, cân bằng nhiệt và truyền nhiệt được tổng hợp qua bảng thông số kỹ thuật cốt lõi sau:

Thông số thiết kế Ký hiệu Giá trị tính toán Đơn vị
Sản lượng hơi định mức $D$ 125 $\text{tấn/h}$
Áp suất hơi quá nhiệt $p_{\text{qn}}$ 6,4 ($64$) $\text{MPa}$ ($\text{bar}$)
Nhiệt độ hơi quá nhiệt $t_{\text{qn}}$ 445 $^\circ\text{C}$
Nhiệt độ nước cấp $t_{\text{nc}}$ 180 $^\circ\text{C}$
Hiệu suất nhiệt của lò hơi $\eta_{\text{lò}}$ 88,265 $%$
Tổn thất do khói thải $q_2$ 8,16 $%$
Tổn thất do cháy không hoàn toàn cơ học $q_4$ 3,00 $%$
Tổn thất tỏa nhiệt ra môi trường $q_5$ 0,575 $%$
Tiêu hao nhiên liệu tính toán $B_{\text{tt}}$ 22.127,05 ($6,15$) $\text{kg/h}$ ($\text{kg/s}$)
Thể tích buồng lửa tính toán $V_{\text{bl}}^{\text{tt}}$ 1.358 $\text{m}^3$
Kích thước tiết diện buồng lửa $a \times b$ $5,5 \times 8,0$ $\text{m} \times \text{m}$
Chiều cao tính toán buồng lửa $h_{\text{bl}}^{\text{tt}}$ 33,3 $\text{m}$
Nhiệt độ cháy đoạn nhiệt $\theta_{\text{a}}$ 1942,5 $^\circ\text{C}$
Nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa $\theta''_{\text{bl}}$ 1012,6 $^\circ\text{C}$
Số lượng vòi phun bột than $n_{\text{vp}}$ 10 (2 tầng) vòi
Số dãy ống cụm pheston $z_{\text{dãy}}$ 4 (so le) dãy
Tổng số ống pheston $n_{\text{ph}}$ 92 ống
Nhiệt độ khói ra khỏi cụm pheston $\theta''_{\text{ph}}$ 955,4 $^\circ\text{C}$
Nhiệt lượng truyền đối lưu ở pheston $Q_{\text{đlph}}$ 898,14 $\text{kJ/kg}$

Hạn chế và phạm vi nghiên cứu

  • Phạm vi nội dung văn bản: Báo cáo đồ án dừng lại ở việc hoàn thành thiết kế nhiệt chi tiết cho buồng lửa và cụm pheston cửa ra. Các bề mặt trao đổi nhiệt phía đuôi lò (bộ quá nhiệt cấp 1, bộ quá nhiệt cấp 2, bộ hâm nước cấp 1 & 2, bộ sấy không khí cấp 1 & 2) cùng bài toán tính toán thủy lực, trở lực khí động và tính độ bền cơ khí chưa được trình bày chi tiết trong phần trích lục này.
  • Giả thiết tính toán: Các hệ số tổn thất hóa học ($q_3 = 0%$), tổn thất xỉ ($q_6 = 0%$) và tỷ lệ tro bay ($a_{\text{b}} = 0,95$) được áp dụng theo các giá trị tra bảng tiêu chuẩn thực nghiệm định sẵn đối với buồng lửa đốt bột than thải xỉ khô/lỏng.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Đồ án là tài liệu tham khảo trực tiếp cho sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Nhiệt, Kỹ thuật Năng lượng, Năng lượng Tái tạo và Kỹ thuật Cơ khí Động lực trong quá trình thực hiện đồ án môn học Thiết kế Lò hơi, đồ án Tốt nghiệp hoặc môn học Nhà máy Nhiệt điện.
  • Giá trị học thuật: Cung cấp trình tự các bước tính toán nhiệt tiêu chuẩn từ khâu phân tích nhiên liệu, cân bằng nhiệt, tính kích thước không gian buồng lửa đến phương pháp giải lặp đồ thị ba điểm để xác định nhiệt độ khói qua các chùm ống trao đổi nhiệt phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng loại nhiên liệu nào và các thông số cháy đặc trưng là gì?
Lò hơi sử dụng than gầy có nhiệt trị thấp làm việc $Q_{\text{t}}^{\text{lv}} = 28.990\text{ kJ/kg}$, độ ẩm $W^{\text{lv}} = 7,5%$, độ tro $A^{\text{lv}} = 8,5%$, chất bốc $V^{\text{c}} = 12%$. Quá trình cháy 1 kg nhiên liệu tiêu hao lý thuyết $V^0_{\text{kk}} = 7,494\text{ m}^3\text{tc}$ không khí và sinh ra thể tích khói thực tại cửa ra buồng lửa là $9,858\text{ m}^3\text{tc}$ (với hệ số không khí thừa $\alpha''_{\text{bl}} = 1,25$).

2. Hiệu suất nhiệt của lò hơi đạt bao nhiêu và tiêu hao nhiên liệu tính toán là bao nhiêu?
Hiệu suất nhiệt tổng thể của lò đạt $\eta_{\text{lò}} = 88,265%$, với các tổn thất nhiệt gồm: tổn thất khói thải $q_2 = 8,16%$, tổn thất do cháy không hoàn toàn cơ học $q_4 = 3%$, tổn thất tỏa nhiệt ra môi trường $q_5 = 0,575%$. Lưu lượng than gầy tiêu hao tính toán là $B_{\text{tt}} = 22.127,05\text{ kg/h}$ (tương đương $6,15\text{ kg/s}$).

3. Tại sao các bộ trao đổi nhiệt ở phần đuôi lò được chia cấp và bố trí xen kẽ?
Do nhiệt độ không khí nóng cần sấy lên đến $350^\circ\text{C}$, bộ sấy không khí phải chia thành 2 cấp. Để bảo vệ bộ sấy không khí cấp 2 không tiếp xúc trực tiếp với vùng khói nhiệt độ quá cao ngay sau bộ quá nhiệt (dễ gây quá nhiệt kim loại và nhanh hỏng), tác giả đã chia bộ hâm nước thành 2 cấp và bố trí bộ sấy không khí cấp 2 nằm xen giữa 2 cấp của bộ hâm nước.

4. Kích thước cơ bản của buồng lửa được xác định như thế nào?
Buồng lửa có tiết diện ngang $5,5\text{ m} \times 8,0\text{ m}$ ($f_{\text{bl}} = 42,86\text{ m}^2$), tổng chiều cao tính toán $h_{\text{bl}}^{\text{tt}} = 33,3\text{ m}$, thể tích tính toán $V_{\text{bl}}^{\text{tt}} = 1.358\text{ m}^3$. Buồng lửa trang bị 10 vòi phun tròn chia làm 2 tầng đặt ở tường trước và phần đáy có dạng phễu tro lạnh với góc nghiêng $55^\circ$ so với phương ngang.

5. Kết quả tính toán truyền nhiệt cụ thể qua cụm pheston là gì?
Cụm pheston gồm 4 dãy ống so le (tổng 92 ống $\phi 50\text{ mm}$, dài $4,6\text{ m}$). Khói đi vào pheston ở nhiệt độ $1012,6^\circ\text{C}$ và đi ra ở nhiệt độ $955,4^\circ\text{C}$ (xác định bằng đồ thị ba điểm), truyền một lượng nhiệt đối lưu là $Q_{\text{đlph}} = 898,14\text{ kJ/kg}$ cho môi chất bão hòa có nhiệt độ $335,5^\circ\text{C}$ ở áp suất $138\text{ bar}$.

Kết luận

Đồ án của sinh viên Nguyễn Đình Luyện đã hoàn thành các nội dung tính toán nhiệt động và thiết kế kỹ thuật cơ bản cho lò hơi công suất $125\text{ T/h}$ đốt than bột theo cấu trúc chữ $\Pi$. Hệ thống số liệu tính toán từ quá trình cháy, cân bằng nhiệt (đạt hiệu suất $88,265%$), kết cấu buồng lửa kích thước $5,5 \times 8,0 \times 33,3\text{ m}$ đến cụm pheston 4 dãy được thể hiện chi tiết và logic theo các tiêu chuẩn nhiệt kỹ thuật hiện hành. Bản thuyết minh cung cấp nguồn tài liệu tham khảo có giá trị học thuật cao cho công tác nghiên cứu và thiết kế hệ thống nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện và cơ sở công nghiệp.