Ung dung thiet bi trao doi nhiet trong nganh cong nghiep nang luong (dien luc)

FastEhome.com- Đăng kí mở Shop bán hàng miễn phí Ngành công nghiệp năng lượng, đặc biệt là sản xuất điện, là xương sống của nền kinh tế hiện đại. Hoạt động của các nhà máy điện, dù sử dụng nhiên liệu hóa thạch, năng lượng hạt nhân hay một số dạng năng lượng tái tạo, đều liên quan mật thiết đến việc chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác, và quá trình chuyển đổi này luôn đi kèm với sự truyền và quản lý nhiệt năng. Trong bối cảnh đó, thiết bị trao đổi nhiệt đóng vai trò không thể thiếu, là những "cỗ máy" then chốt đảm bảo hiệu suất hoạt động, độ tin cậy và tính kinh tế của toàn bộ hệ thống. Từ việc biến hơi nước thành nước lỏng để tái sử dụng, gia nhiệt nước cấp cho lò hơi, đến thu hồi nhiệt thải quý giá, bộ trao đổi nhiệt hiện diện ở hầu hết các khâu quan trọng trong chu trình sản xuất điện. Bài viết này sẽ đi sâu phân tích các ứng dụng cụ thể và tầm quan trọng của chúng trong ngành công nghiệp năng lượng, đặc biệt tập trung vào các nhà máy nhiệt điện, nơi heat exchanger được sử dụng với quy mô và sự đa dạng đáng kể.

I. Tầm Quan Trọng Của Quản Lý Nhiệt Năng Trong Sản Xuất Điện

​

Sản xuất điện từ các nguồn nhiệt (như đốt than, khí, dầu, phân hạch hạt nhân) thường dựa trên Chu trình Rankine hoặc các biến thể của nó. Chu trình này bao gồm các bước chính: gia nhiệt chất lỏng làm việc (thường là nước) biến thành hơi áp suất cao, hơi này đi qua tuabin làm quay máy phát điện, hơi thoát ra từ tuabin được ngưng tụ trở lại thành lỏng, và chất lỏng này được bơm trở lại lò hơi. Hiệu suất của toàn bộ chu trình phụ thuộc rất lớn vào khả năng kiểm soát và tối ưu hóa việc truyền nhiệt ở mỗi bước. Bất kỳ sự thất thoát nhiệt hoặc kém hiệu quả nào trong việc truyền nhiệt đều trực tiếp làm giảm lượng điện năng sản xuất ra so với lượng nhiên liệu tiêu thụ.

Thiết bị trao đổi nhiệt là công cụ chính để thực hiện việc truyền nhiệt hiệu quả giữa các dòng chất khác nhau trong chu trình này. Chúng cho phép chuyển nhiệt năng từ nguồn nóng (khí cháy, hơi nước áp suất cao) sang nguồn lạnh hơn (nước, không khí làm mát) một cách có kiểm soát, đảm bảo chất lỏng làm việc ở đúng trạng thái và nhiệt độ cần thiết tại mỗi giai đoạn của chu trình.

II. Các Ứng Dụng Thiết Yếu Của Thiết Bị Trao Đổi Nhiệt Trong Nhà Máy Điện

​

Trong một nhà máy nhiệt điện hiện đại, có nhiều loại máy trao đổi nhiệt khác nhau đảm nhận các vai trò cụ thể, đóng góp vào sự hoạt động thông suốt và hiệu quả.

1. Bộ Ngưng Tụ Hơi Nước (Condenser)

Đây có lẽ là thiết bị có quy mô vật lý lớn nhất và có vai trò cực kỳ then chốt trong chu trình Rankine.

- Chức năng: Hơi nước sau khi đi qua các tầng cuối cùng của tuabin hơi đã sinh công và có áp suất, nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với lúc vào tuabin, nhưng vẫn ở thể hơi. Bộ ngưng tụ có nhiệm vụ làm lạnh và chuyển hoàn toàn lượng hơi nước này trở lại thành nước lỏng.

- Cấu tạo và Hoạt động: Phổ biến nhất là loại ống chùm (shell-and-tube). Hơi nước đi vào không gian vỏ (shell side) và tiếp xúc với bề mặt ngoài của hàng ngàn ống nhỏ. Bên trong các ống này là nước làm mát (cooling water) được bơm liên tục từ sông, hồ, biển hoặc tháp giải nhiệt. Nước làm mát hấp thụ nhiệt từ hơi nước, khiến hơi nước ngưng tụ lại trên bề mặt ống và chảy xuống đáy bộ ngưng tụ thành nước lỏng (gọi là nước ngưng). Nước làm mát sau khi nóng lên sẽ được xả ra môi trường (đối với hệ thống làm mát hở) hoặc đưa đến tháp giải nhiệt để hạ nhiệt và tái sử dụng (đối với hệ thống làm mát kín).

- Tầm quan trọng:

· Tạo chân không: Quá trình ngưng tụ hơi nước làm giảm áp suất ở đầu ra tuabin xuống mức rất thấp (chân không). Sự chênh lệch áp suất lớn giữa đầu vào và đầu ra tuabin giúp hơi nước giãn nở và sinh công hiệu quả hơn trên các cánh tuabin, trực tiếp nâng cao hiệu suất nhiệt của nhà máy.

· Thu hồi nước làm việc: Nước ngưng thu được tại bộ ngưng tụ là nước đã được xử lý đặc biệt (nước khử khoáng) để đảm bảo độ tinh khiết cho lò hơi và tuabin. Việc thu hồi toàn bộ lượng nước này giúp giảm thiểu nhu cầu bổ sung nước mới đã qua xử lý, tiết kiệm chi phí vận hành và bảo vệ thiết bị trao đổi nhiệt khỏi sự ăn mòn hoặc đóng cặn.

· Hoàn thành chu trình: Bộ ngưng tụ giúp chuyển trạng thái từ hơi sang lỏng, cho phép bơm nước trở lại lò hơi để bắt đầu lại chu trình, đảm bảo hoạt động liên tục của nhà máy.

Bộ ngưng tụ yêu cầu lượng nước làm mát rất lớn và hiệu quả truyền nhiệt cao. Sự bám bẩn trên bề mặt ống (fouling) là một thách thức lớn, làm giảm hiệu quả truyền nhiệt và cần được xử lý định kỳ.

2. Bộ Gia Nhiệt Nước Cấp (Feedwater Heater)

Nước ngưng từ bộ ngưng tụ có nhiệt độ tương đối thấp và cần được bơm trở lại lò hơi với áp suất rất cao. Tuy nhiên, nếu bơm nước lạnh trực tiếp vào lò hơi, hiệu suất sẽ không cao và có thể gây sốc nhiệt cho lò. Bộ gia nhiệt nước cấp được sử dụng để nâng nhiệt độ của dòng nước cấp này trước khi vào lò hơi.

• Chức năng: Gia nhiệt cho dòng nước cấp từ bộ ngưng tụ đến nhiệt độ cao hơn đáng kể trước khi đưa vào lò hơi hoặc bộ hâm nước kinh tế (economizer).
• Cấu tạo và Hoạt động: Thường là thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm. Dòng nước cấp đi bên trong các ống (tube side) dưới áp suất cao. Nguồn nhiệt để gia nhiệt cho nước cấp được lấy từ hơi nước "trích" (extracted steam) từ các tầng trung gian của tuabin. Hơi trích có áp suất và nhiệt độ cao hơn hơi ở đầu ra tuabin nhưng thấp hơn hơi vào tuabin. Hơi trích này đi vào không gian vỏ (shell side), truyền nhiệt cho nước trong ống và ngưng tụ lại. Lượng nước ngưng từ hơi trích này sau đó được dẫn nhập trở lại vào dòng nước cấp hoặc bơm về bộ ngưng tụ chính.
• Tầm quan trọng: Việc sử dụng hơi trích từ tuabin để gia nhiệt nước cấp là một kỹ thuật tái tạo năng lượng hiệu quả. Mặc dù việc trích hơi làm giảm lượng hơi đi qua toàn bộ tuabin (giảm công suất một chút), nhưng nhiệt năng lấy từ hơi trích được tái sử dụng để làm nóng nước cấp. Điều này làm giảm lượng nhiệt cần cung cấp trong lò hơi để biến nước thành hơi, từ đó làm giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ tổng thể cho cùng một lượng điện năng sản xuất. Kỹ thuật này giúp tăng hiệu suất nhiệt của chu trình Rankine lên đáng kể. Các nhà máy điện hiện đại thường có nhiều tầng gia nhiệt nước cấp hoạt động ở các mức áp suất và nhiệt độ khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất.

3. Bộ Hâm Nước Gió (Air Preheater)

​

Đây là một máy trao đổi nhiệt khí-khí hoặc khí-lỏng, sử dụng nhiệt từ dòng khí thải nóng sau khi ra khỏi lò hơi để gia nhiệt cho không khí đi vào buồng đốt.

- Chức năng: Tận dụng nhiệt năng còn sót lại trong khí thải của lò hơi để gia nhiệt cho không khí tươi hoặc không khí tái tuần hoàn trước khi nó được trộn với nhiên liệu và đưa vào buồng đốt.

- Cấu tạo và Hoạt động: Có nhiều loại, phổ biến là loại tấm hoặc loại cánh quay (regenerative). Loại cánh quay là một rotor lớn có các tấm kim loại hấp thụ nhiệt. Khí thải nóng đi qua một nửa rotor, truyền nhiệt cho các tấm kim loại. Rotor quay, đưa các tấm kim loại nóng sang nửa còn lại, nơi không khí lạnh đi qua và nhận nhiệt từ các tấm này trước khi vào lò hơi.

- Tầm quan trọng:

· Tăng hiệu quả cháy: Không khí được gia nhiệt giúp nhiên liệu (than, dầu, khí) cháy hiệu quả hơn, hoàn toàn hơn, giảm lượng nhiên liệu cần thiết để đạt được công suất lò hơi mong muốn.

· Thu hồi nhiệt thải: Đây là một hình thức thu hồi nhiệt thải trực tiếp, giảm nhiệt độ của khí thải ra môi trường (giảm ô nhiễm nhiệt) và tái sử dụng năng lượng bên trong hệ thống.

· Giảm phát thải: Cháy hoàn toàn hơn có thể góp phần giảm phát thải một số chất gây ô nhiễm.

4. Bộ Quá Nhiệt (Superheater) và Bộ Hâm Hơi (Reheater)

Mặc dù thường được xem là bộ phận của lò hơi, chúng hoạt động như các thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng nhiệt từ khói nóng trong lò để gia nhiệt cho hơi nước.

• Bộ Quá Nhiệt (Superheater): Hơi nước bão hòa sản xuất trong lò hơi có nhiệt độ bằng với nhiệt độ sôi ở áp suất đó và chứa các hạt nước li ti. Bộ quá nhiệt sử dụng nhiệt từ khói lò rất nóng để gia nhiệt thêm cho hơi nước, biến nó thành hơi quá nhiệt (superheated steam) với nhiệt độ và thế năng cao hơn. Hơi quá nhiệt là dạng hơi lý tưởng để đưa vào tuabin vì nó hầu như không còn các hạt nước lỏng, tránh làm xói mòn cánh tuabin và cho phép giãn nở sinh công ở nhiệt độ cao hơn, tăng hiệu suất.
• Bộ Hâm Hơi (Reheater): Trong các tuabin hiện đại, hơi nước sau khi đi qua một phần tuabin (áp suất giảm xuống) được đưa trở lại lò hơi để gia nhiệt lại (hâm hơi) bằng khói nóng. Sau đó, hơi hâm nóng lại được đưa trở lại các tầng tiếp theo của tuabin để tiếp tục sinh công. Quá trình hâm hơi giúp tăng tổng lượng công tuabin sản xuất được từ cùng một lượng hơi ban đầu và giảm độ ẩm của hơi ở các tầng cuối tuabin, cải thiện hiệu suất và tuổi thọ tuabin.

Cả bộ quá nhiệt và bộ hâm hơi đều là các dàn ống chịu áp suất và nhiệt độ rất cao, đặt trong môi trường khói lò nóng. Thiết kế và vật liệu của chúng cần đáp ứng các điều kiện vận hành khắc nghiệt này.

Thiết bị trao đổi nhiệt là những thành phần cơ bản và không thể thay thế trong ngành công nghiệp năng lượng. Từ việc khai thác hiệu quả nhiệt năng từ nhiên liệu hoặc nguồn năng lượng sơ cấp, chuyển đổi nó sang dạng hữu ích, đến việc thu hồi và tái sử dụng nhiệt thải, chúng đóng vai trò quyết định trong việc định hình hiệu suất, độ tin cậy và tính bền vững của các nhà máy điện. Sự phát triển của công nghệ sản xuất điện luôn song hành với sự đổi mới trong thiết kế và vật liệu của heat exchanger, hướng tới khả năng làm việc ở điều kiện khắc nghiệt hơn, hiệu quả cao hơn và thân thiện với môi trường hơn. Việc hiểu rõ các ứng dụng và tầm quan trọng của chúng trong ngành điện là nền tảng thiết yếu để vận hành, bảo trì và thiết kế các hệ thống năng lượng hiệu quả cho tương lai.

​