Nghiên cứu, đề xuất thông số nhà máy nhiệt điện tận dụng nhiệt khí thải từ lò nung nhà máy xi măng

Tình hình nghiên cứu ứng dụng trên thế giới

Việc tận dụng nhiệt thải từ các nhà máy xi măng đã được triển khai từ nhiều năm trước, đặc biệt là ở các quốc gia phát triển Nhiệt khí thải của nhà máy xi măng được sử dụng phổ biến để phát điện tại nhiều nước như Trung Quốc, Nhật Bản và Hoa Kỳ.

Nhà máy sản xuất xi măng Trung Quốc đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển công nghệ tận dụng nhiệt thải để phát điện Năm 2009, Trung Quốc sản xuất 1,65 tỷ tấn xi măng, chiếm hơn 50% sản lượng xi măng toàn cầu Ngành công nghiệp này đang tiến hành tái cấu trúc thông qua việc sáp nhập, giải thể và loại bỏ công suất lạc hậu, đồng thời tích cực áp dụng các công nghệ mới.

Cao Thái Nguyên Trang 3 đề xuất chính sách giảm tiêu hao năng lượng, nâng cao hiệu quả sử dụng chất thải, và bảo vệ các khu bảo tồn địa chất và môi trường thông qua việc xây dựng các trạm phát điện nhiệt thải.

Hình 1.1: Nhà máy xi măng ở Trung Quốc

Phát điện nhiệt thải tại Nhà máy Xi măng Jingyang:

Nhà máy Xi măng Jingyang sở hữu hai dây chuyền nung phương pháp khô, mỗi dây chuyền có công suất sản xuất clinker lên tới 5000 tấn/ngày Nhiệt độ khí thoát ra từ silo tầng trên của tháp trao đổi nhiệt đạt khoảng 320°C, trong khi nhiệt độ khí thải từ buồng làm nguội clinker khoảng 350°C.

Tiêu hao nhiệt của lò nung hiện nay là 3,32 GJ/tấn clinker, với máy phát điện và hệ tuabin có công suất thiết kế 20700 kW Điện năng sản xuất được sử dụng trực tiếp trong nhà máy xi măng và có khả năng phát lên lưới điện công cộng Công suất lý thuyết hàng năm từ điện phát điện nhiệt thải của nhà máy này ước tính khoảng

HVTT: Cao Thái Nguyên Trang 4

Thu hồi nhiệt thải nhà máy xi măng để phát điện của Đài Loan

Nhà máy điện nhiệt của công ty xi măng Đài Loan sử dụng khí thải từ buồng tiền nung (PH) và thiết bị làm nguội (AQC) để phát điện Nồi hơi tiền nung (PH boiler) tận dụng khí thải từ thiết bị làm nguội, với hệ thống đường ống kết nối giữa hai bộ phận Hơi nước được sinh ra từ các nồi hơi này sẽ được chuyển đến tuabin hơi nước để tạo ra điện năng.

Hình 1.3: Biểu diễn mối quan hệ công suất phát điện và clinker của nhà máy

Tình hình nghiên cứu ứng dụng trong nước

Ngành xây dựng đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế Việt Nam, đặc biệt trong bối cảnh hoàn thiện hạ tầng kinh tế và kiến trúc xã hội Triển vọng tăng trưởng của ngành này là yếu tố hỗ trợ tích cực cho sự phát triển của ngành xi măng Tốc độ đô thị hóa nhanh, khoảng 30-33% mỗi năm, cùng với sự phát triển cơ sở hạ tầng, đã dẫn đến tăng trưởng ngành xây dựng vượt trội hơn so với nền kinh tế Ngành xi măng cũng duy trì tốc độ tăng trưởng ổn định, dự kiến đạt trên 11% mỗi năm cho đến năm 2015.

Mức độ cạnh tranh trong ngành xi măng hiện tại còn thấp, với sự chi phối chủ yếu từ Tổng Công ty xi măng Việt Nam Tuy nhiên, sự cạnh tranh sẽ gia tăng mạnh mẽ khi các dự án mới được đưa vào hoạt động Ngành xi măng sẽ chuyển từ tình trạng thiếu hụt sang dư thừa năng lực sản xuất kể từ năm 2010.

Ngành xi măng đang đối mặt với tỷ suất lợi nhuận thấp do chi phí nguyên vật liệu gia tăng, đặc biệt là với các doanh nghiệp phụ thuộc vào clinker nhập khẩu Trong khi giá bán xi măng bị kiểm soát bởi chính phủ, điều này tạo ra áp lực buộc các doanh nghiệp phải tìm cách tiết kiệm năng lượng để duy trì hiệu quả kinh doanh.

Hình 1.4: Nhu cầu tiêu thụ xi măng và tốc độ tăng trưởng hàng năm ngành xi măng

Tổng công ty xi măng Việt Nam, một doanh nghiệp hạng đặc biệt trong nền kinh tế, nhận thức rõ tầm quan trọng của việc tiết kiệm năng lượng Trong bối cảnh hội nhập toàn cầu, Tổng công ty đã chủ động nắm bắt cơ hội và vượt qua thách thức, từ đó xác định hướng đi và giải pháp tích cực nhằm nâng cao khả năng cạnh tranh Để phát triển quy mô ngành xi măng Việt Nam, cần thiết áp dụng các giải pháp nâng cao khả năng cạnh tranh trong bối cảnh kinh tế quốc tế.

Đầu tư vào phát triển kỹ thuật sản xuất xi măng theo hướng quy mô lớn và tự động hóa cao là mục tiêu quan trọng nhằm nâng cao sức cạnh tranh của ngành công nghiệp này Theo Quyết định 108/2005/QĐ-TTg ngày 16-5-2005, Chính phủ đã phê duyệt quy hoạch phát triển ngành xi măng Việt Nam đến năm 2010 và định hướng đến năm 2020, với mục tiêu đưa ngành xi măng Việt Nam trở thành một ngành công nghiệp mạnh, sử dụng công nghệ hiện đại, đủ sức cạnh tranh trên thị trường trong nước và quốc tế trong bối cảnh hội nhập.

Xây dựng một lực lượng lao động đồng bộ và có trình độ cao là cần thiết để quản lý và vận hành hiệu quả các cơ sở sản xuất hiện đại trong bối cảnh nền kinh tế thị trường hội nhập.

+ Mở rộng thị trường, thực hiện tốt nhiệm vụ bình ổn giá cả xi măng trên phạm vi toàn quốc

Tổng công ty cần tiếp tục giữ vững vai trò là công cụ điều tiết vĩ mô nền kinh tế, đồng thời nâng cao hiệu quả trong việc tư vấn đầu tư cho các thành phần kinh tế và địa phương có nhu cầu phát triển sản xuất xi măng.

Hiện nay, Việt Nam và các nước đang hợp tác để tối ưu hóa việc tận dụng nhiệt khí thải từ các nhà máy xi măng Một ví dụ điển hình là hội thảo vừa diễn ra tại Hà Nội, do Tổng công ty Công nghiệp xi măng Việt Nam (Vicem) phối hợp với Công ty JFE Engineering Corporation (Nhật Bản) và Công ty Pratt & Whitney Power Systems - PWPS (Mỹ) tổ chức, nhằm thảo luận về "Công nghệ thu hồi".

HVTT: Cao Thái Nguyên Trang 7 nhiệt dư để phát điện" dành cho ngành công nghiệp xi măng và các ngành công nghiệp năng lượng của Việt Nam

Trong bối cảnh suy giảm kinh tế, doanh nghiệp gặp khó khăn khi chi phí năng lượng chiếm tỷ lệ lớn trong sản xuất Do đó, tiết kiệm năng lượng trở thành yêu cầu thiết yếu cho phát triển bền vững Đây là yếu tố quyết định để đảm bảo an ninh năng lượng cho tương lai, bảo vệ môi trường và ứng phó với biến đổi khí hậu toàn cầu.

Năm 2000, Tổ chức phát triển nguồn năng lượng mới NEDO của Nhật Bản đã tặng Việt Nam một hệ thống thiết bị trạm phát điện nhiệt khí thải công suất 2.950 kW, lắp đặt tại Nhà máy xi măng Hà Tiên 2, có công suất clinker 3.000 tấn/ngày Sau bảy năm hoạt động, trạm phát điện này đã sản xuất được 105 triệu kWh điện.

Hiện nay ở Việt Nam đã thu hồi nhiệt khí thải để phát điện tại ba nhà máy:

Nhà máy xi măng Hà Tiên 2, tọa lạc tại thị trấn Kiên Lương, huyện Kiên Lương, tỉnh Kiên Giang, có công suất sản xuất 1,2 triệu tấn clinker mỗi năm Nhà máy còn sử dụng hệ thống thu hồi nhiệt thải từ lò hơi để phát điện với công suất 2.950 kW.

Hình 1.5: Nhà máy xi măng Hà Tiên 2

Nhà máy xi măng Công Thanh tại Thanh Hóa, được Tập đoàn Công Thanh đưa vào hoạt động từ năm 2008, gồm hai giai đoạn sản xuất Giai đoạn 1 có công suất 2500 tấn clinker/ngày, trong khi giai đoạn 2 dự kiến sẽ nâng công suất lên 10000 tấn clinker/ngày.

- Dây chuyền 1: đã xây dựng hoàn thiện nhà máy công suất đặt của tuabin hơi là 4,5 MW

- Dây chuyền 2: hiện đang xây dựng dự án thu hồi nhiệt thải công suất đặt tuabin hơi 18 MW

Nhà máy xi măng Holcim Hòn Chông, tọa lạc tại xã Bình An, huyện Kiên Lương, tỉnh Kiên Giang, đã áp dụng công nghệ tiên tiến bằng cách tận dụng năng lượng nhiệt thải với công suất 6,3 MW.

Hình 1.7: Hệ thống nhà máy Holcim Hòn Chông

Mục tiêu nghiên cứu

Việc thu hồi nhiệt thải đóng vai trò quan trọng, nhưng hiện nay vẫn còn nhiều sơ đồ nhiệt với thông số khác nhau chưa xác định được hiệu quả tối ưu Do đó, nghiên cứu và đề xuất thông số cho nhà máy nhiệt điện tận dụng nhiệt khí thải từ lò nung nhà máy xi măng là cần thiết Mục tiêu là tối ưu hóa thiết kế để đạt hiệu quả tốt nhất trong quá trình thu hồi nhiệt thải tại Việt Nam.

Nội dung nghiên cứu

 Nghiên cứu các nguồn nhiệt thải của nhà máy

 Chọn sơ đồ nhiệt hệ thống thu hồi nhiệt thải

 Nghiên cứu phương pháp tính toán sơ đồ nhiệt

 Xây dựng chương trình tính toán

 Đề xuất thông số tối ưu cho chu trình nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu

 Dùng các phương trình tính toán về kỹ thuật để nghiên cứu khả năng tận dụng nhiệt khí thải từ nhà máy xi măng

 Tính toán và tối ưu hóa thông số sơ đồ nhiệt của nhà máy

 Viết chương trình tính toán để khảo sát sự biến thiên của thông số đầu vào của tuabin ảnh hưởng đến hiệu suất tận dụng nhiệt khí thải.

Giới hạn đề tài

Đề tài này xây dựng một chương trình tính toán để xác định các thông số thiết kế sơ đồ nhiệt cho nhà máy, nhằm đề xuất các thông số hơi nước tối ưu về mặt kỹ thuật Tuy nhiên, nghiên cứu chưa xem xét đến yếu tố tối ưu về mặt kinh tế do sự phức tạp trong việc khảo sát giá thành hệ thống và hạn chế trong khả năng tiếp cận của tác giả luận văn.

THU HỒI NHIỆT THẢI TỪ NHÀ MÁY XI MĂNG

Nguồn nhiệt thải tại lò nung

2.1.1 Quá trình sản xuất xi măng theo phương pháp khô

Hình 2.1: Sơ đồ quá trình sản xuất xi măng

- Nguồn nguyên liệu chính: Đá vôi, đất sét và phụ gia laterit, phụ gia sản xuất xi măng gồm thạch cao, puzolan và phụ gia trơ

Nhiên liệu chính trong sản xuất xi măng là than, sử dụng phương pháp đốt bột than theo kiểu phun Quá trình sản xuất xi măng theo phương pháp khô bao gồm bốn công đoạn, bắt đầu bằng việc xử lý nguyên liệu thô.

Nguyên liệu đá vôi, đất sét và xỉ được hòa trộn và nghiền nhỏ bằng máy nghiền tự động theo kích thước yêu cầu Sau khi nghiền xong, đất sét khô và đá khô được cân bằng hệ thống tự động trước khi trải qua quá trình nghiền thô lần nữa Cuối cùng, hai loại nguyên liệu này được trộn đều trong bộ phận silo trước khi được chuyển đến tháp trao đổi nhiệt.

Sau khi nguyên liệu được trộn trong silo, chúng sẽ được chuyển qua tháp trao đổi nhiệt Khí thải từ tháp này sẽ được dẫn đến bộ phận lọc bụi để thực hiện quá trình lọc, đảm bảo tiêu chuẩn môi trường trước khi thải ra ngoài qua ống khói Tiếp theo là quá trình nung clinker.

Liệu clinker được nung trong lò quay Nhiệt độ tại vùng nung đạt tới

Sau khi nung, clinker được trộn với thạch cao và đưa qua hệ thống cân tự động Sau khi cân xong, clinker sẽ được nghiền cùng với xi măng postland để tạo thành xi măng postland Một phần khác sẽ được cân tự động và đưa vào thùng trộn với các phụ gia để sản xuất các loại xi măng khác nhau.

Sau khi sản phẩm hoàn tất, nó sẽ được chuyển đến các bộ phận đóng gói trước khi được vận chuyển đến thị trường tiêu thụ Quá trình vận chuyển có thể sử dụng nhiều phương tiện khác nhau như xe tải, tàu hỏa hoặc tàu thủy.

2.1.2 Quá trình sản xuất clinker

STT Thành phần Phần trăm, %

Hình 2.2: Thành phần hóa học của Clinker

 Chuẩn bị nguyên nhiên liệu:

Nguyên liệu sử dụng bao gồm đá vôi, chất thải công nghiệp, bùn thải, bột mài và tro lò đốt Chất thải công nghiệp được xử lý sơ bộ qua các bước phân loại, phơi khô và trộn đều Những nguyên liệu đạt yêu cầu kỹ thuật sẽ được tập kết về khu vực nghiền liệu.

Nguyên liệu được định lượng và đưa vào máy nghiền, trong khi khí nóng thu hồi từ khí thải lò quay được phun vào máy nghiền, tạo thành hệ thống sấy nghiền hiệu quả.

HVTT: Cao Thái Nguyên Trang 13 liên hợp Sau khi nghiền, phối liệu được chuyển đến gầu tải qua băng tải cao su và sau đó được đổ vào két chứa, silo phối liệu.

- Than cám được nhập về kho, phơi khô và nghiền bằng máy nghiền và gầu tải chuyển vào silo chứa

- Phối liệu xả từ két, silo chứa và được vít tải cấp định lượng vào đầu lạnh lò quay

- Than xả từ silo được vít tải cấp định lượng vào ống gió và được quạt đẩy phun vào zone nung qua đầu nóng lò quay

Phối liệu được nung chín tại khu vực nung để tạo ra clinker, sau đó được chuyển đến đầu nóng của lò quay Clinker tiếp tục được làm nguội qua máy làm nguội, vít tải, gầu nâng và két chứa Cuối cùng, xe ô tô vận chuyển clinker về silo hoặc kho chứa để chuẩn bị cho quá trình nghiền xi măng.

- Tại khu vực nung dưới nhiệt độ (1450 – 1500) o C, than cám được đốt cháy hoàn toàn Tro than gồm các ô xít vô cơ được tham gia vào thành phần khoáng clinker

Lò tiền nung Ống khói Ống khói

2.1.3 Nguồn nhiệt khí thải sau tháp trao đổi nhiệt

Hệ thống silo tháp trao đổi nhiệt của lò nung hoạt động trong môi trường kín, giúp giảm thiểu bụi phát sinh và chỉ có một lượng nhỏ nhiệt tỏa ra bên ngoài Khí thải từ lò nung, có nhiệt độ khoảng 320 – 360 oC, được tận dụng làm tác nhân sấy cho quá trình nghiền nguyên liệu, với nhiệt độ sấy đạt khoảng 260 – 280 oC trước khi thải ra ngoài qua ống khói.

Lưu lượng 242000 m 3 /h, tương ứng lưu lượng là 55 m 3 /h theo

2.1.4 Nguồn nhiệt khí thải sau thiết bị làm mát clinker

Công đoạn làm nguội clinker là quá trình hạ nhiệt clinker từ 1370 o C xuống 650 o C Khi đó, khí thải từ ngăn đầu tiên của thiết bị làm mát có nhiệt độ cao sẽ được tái sử dụng cho lò nung Phần khí thải còn lại sẽ được chia thành hai phần: một phần sẽ được sử dụng cho sấy và nghiền, trong khi phần còn lại sẽ qua lọc bụi tĩnh điện trước khi thải ra ngoài qua ống khói.

Lưu lượng 89000 m 3 /h, tương ứng lưu lượng là 20,2 m 3 /h theo

Phương án tận dụng nhiệt khí thải

2.2.1 Phương án chỉ tận dụng nhiệt thải từ tháp trao đổi nhiệt của lò nung

Trong sơ đồ này, người ta đã tận dụng nhiệt từ bộ phận làm mát clinker để sấy không khí đốt nhiên liệu

Khí thải sau tháp trao đổi nhiệt của lò nung có nhiệt độ khoảng (320 –

Khí thải 360 độ C không được đưa ngay đến bộ phận lọc bụi, mà được dẫn qua lò hơi tận dụng nhiệt thải tại đuôi lò (lò hơi SP) để sinh hơi quá nhiệt phục vụ cho tuabin máy phát điện Sau khi qua lò hơi tận dụng nhiệt thải SP, khí thải mới được đưa qua bộ lọc bụi và thải ra ngoài qua ống khói.

Nguồn nhiệt từ bộ phận làm mát clinker được sử dụng để sấy không khí đốt hoặc cho các mục đích khác, thay vì để phát điện Ưu điểm của phương án này là vốn đầu tư thấp và khả năng tận dụng hai nguồn nhiệt một cách độc lập Tuy nhiên, nhược điểm là chỉ sử dụng một lò hơi SP, dẫn đến hiệu suất tận dụng nhiệt thải để phát điện không cao.

Hình 2.4: Sơ đồ tận dụng nhiệt thải từ tháp trao đổi nhiệt

2.2.2 Phương án tận dụng nhiệt thải từ cả tháp trao đổi nhiệt và bộ phận làm mát clinker Đây là sơ đồ được áp dụng trong hầu hết các nhà máy xi măng hiện đại

Quy trình tận dụng nhiệt thải từ lò hơi SP kết hợp với bộ phận làm nguội clinker, trong đó gió nóng có nhiệt độ 360 o C được dẫn từ máy làm nguội clinker qua máy lọc bụi phân ly vào nồi hơi nhiệt (lò hơi AQC) để sản xuất hơi quá nhiệt Hơi này sau đó kết hợp với hơi quá nhiệt từ lò hơi SP để vận hành tuabin máy phát, trong khi khói thải được dẫn vào hệ thống đốt.

Bộ phận làm mát Clinker Clinker

HVTT: Cao Thái Nguyên Trang 16 thống thoát khí đầu lò, nhiệt độ khói thải sau lò hơi AQC lúc này được hạ xuống rất thấp

Hình 2.5: Sơ đồ tận dụng nhiệt thải từ tháp trao đổi nhiệt và bộ phận làm nguội clinker

Tận dụng tối đa được cả hai nguồn nhiệt thải để phát điện nhằm mục đích nâng cao hiệu suất tận dụng nhiệt thải và công suất phát điện

Giảm một lượng lớn bụi từ khói thải ra môi trường

 Khuyết điểm: vốn đầu tư cho hệ thống và thiết bị ban đầu lớn.

Một số sơ đồ thu hồi nhiệt thải phát điện đang sử dụng

2.3.1 Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải của nhà máy xi măng Hà Tiên 2

Nguyên lý hoạt động của hệ thống tận dụng nguồn nhiệt thải từ lò hơi SP được thể hiện trong sơ đồ dưới đây Nhiệt sau khi thoát ra từ tháp giải nhiệt sẽ được chia thành hai hướng: một hướng dẫn đến lò hơi để sinh hơi, sau đó hơi nước sẽ được sử dụng để quay tuabin, tạo ra năng lượng cho máy phát điện.

Lò quay Tháp giải nhiệt

Lò hơi tận dụng nhiệt thải

Bộ phận làm mát clinker clinker

HVTT: Cao Thái Nguyên Trang 17 điện và sinh điện Một phần khác sẽ đưa đi theo đường công nghệ để phục vụ theo yêu cầu

Hình 2.6: Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải của nhà máy xi măng Hà Tiên 2

1 Lò quay 6 Bình ngưng 11 Bộ lọc bụi điện

3 Ống bay hơi 8 Tháp giải nhiệt 13 Ống khói

+ Vốn đầu tư ít vì tận dụng được có một nguồn nhiệt

+ Năng suất phát điện không cao do vậy dẫn đến khả năng cung cấp điện cho nhu cầu của nhà máy thấp

Việc tận dụng nguồn nhiệt trong quá trình sản xuất dẫn đến việc thải ra nhiệt dư trực tiếp ra môi trường, gây ô nhiễm và ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống của các vi sinh vật xung quanh.

2.3.2 Sơ đồ quá nhiệt song song không có bình phân ly

Hình 2.7: Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải không có bình phân ly

HVTT: Cao Thái Nguyên Trang 19 có đặc điểm là sơ đồ quá nhiệt song song không sử dụng bình phân ly lò hơi SP Trong sơ đồ này, thiết bị khử khí sử dụng hóa chất, dẫn đến nhiệt độ trong bình khử khí thấp Do đó, nhiệt độ nước cấp vào bình khử khí cũng thấp, khiến nồi hơi SP không cần bộ hâm nước.

Nguyên lý làm việc của hệ thống là hơi sau khi ra khỏi tuabin sẽ được đưa đến thiết bị ngưng tụ để chuyển đổi thành lỏng hoàn toàn Hơi lỏng sau đó được bơm lên bình chứa AQC và SP, hai thiết bị này được lắp đặt song song Khi vào AQC và SP, hơi sẽ được sinh ra và tiếp tục được dẫn về ống góp để quay tuabin, từ đó tạo ra điện năng Hơi thoát ra từ tuabin sẽ quay lại thiết bị ngưng tụ, bắt đầu một chu trình mới Ưu điểm của hệ thống này là tận dụng hiệu quả hai nguồn nhiệt từ lò hơi SP và AQC, giúp nâng cao hiệu suất phát điện và khả năng cung cấp điện lớn.

Hơi được đưa vào với nhiệt độ vừa phải và áp suất thấp hơn so với hai lò, dẫn đến việc mất một lượng hơi phân ly để chuyển vào phần hạ áp.

+ Vốn đầu tư ban đầu cho hệ thống lớn

2.3.3 Sơ đồ quá nhiệt song song có một bình phân ly Đặc điểm: trong sơ đồ này lò hơi SP và AQC đều có sử dụng bộ hâm nước và có một bình phân ly Nước từ bộ hâm nước của lò hơi SP đến bình phân ly Tại đây xảy ra quá trình phân ly sinh hơi bão hòa đưa đến cung cấp cho phần hạ áp của tuabin nhằm mục đích tăng lượng hơi đến tuabin để tăng hiệu suất và công suất của tuabin Phần lỏng tách ra được đưa trở lại bình khử khí cung cấp nước cho hệ thống

Hình 2.8: Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải có một bình phân ly

2.3.4 Sơ đồ quá nhiệt song song có hai bình phân ly Đặc điểm: Sơ đồ trên cả hai lò hơi SP và AQC đều sử dụng bộ hâm nước và có hai bình phân ly được nối tiếp nhau Nước từ bộ hâm nước của lò hơi SP

Hình 2.9: Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải có hai bình phân ly

Tại HVTT: Cao Thái Nguyên, quá trình phân ly sinh hơi bão hòa diễn ra tại bình phân ly thứ 1, cung cấp hơi cho phần hạ áp của tuabin Phần lỏng tách ra sẽ được chuyển xuống bình phân ly thứ 2, nơi quá trình phân ly sinh hơi bão hòa tiếp tục, nhằm tăng lượng hơi bão hòa cho tuabin, từ đó nâng cao hiệu suất và công suất hoạt động Cuối cùng, phần lỏng tách ra sẽ được đưa trở lại bình khử khí để cung cấp nước cho hệ thống.

Bình phân ly kép mang lại lợi ích lớn với hai lần sinh hơi bão hòa, giúp cung cấp cho phần hạ áp Điều này làm tăng lượng hơi bão hòa đến tuabin, từ đó nâng cao hiệu suất và công suất phát điện.

+ Nhược điểm: có hai bình phân ly trong sơ đồ nên sơ đồ nhiệt phức tạp và chi phí cho hệ thống cao.

Chọn sơ đồ nhiệt

Sau khi phân tích các sơ đồ nhiệt từ khí thải của các nhà máy xi măng, chúng tôi đã chọn sơ đồ sử dụng bình phân ly để tận dụng nhiệt khí thải cho việc phát điện Mặc dù đầu tư ban đầu cao hơn, nhưng sơ đồ này tối ưu hóa khả năng tận dụng nhiệt từ hai nguồn, đáp ứng nhu cầu điện năng và các tiêu chí kỹ thuật của nhà máy.

Có thể nói, nguyên lý hoạt động của hệ thống tận dụng nhiệt thải trong nhà máy xi măng tương tự như hoạt động của nhà máy nhiệt điện:

 Năng lượng dưới dạng nhiệt dư của khí thải được sử dụng để sản xuất hơi quá nhiệt

Hơi quá nhiệt đi vào tuabin, nơi nó giãn nở trong ống tăng tốc để tăng động năng Sau đó, hơi nước tác động lên cánh động của tuabin, làm cho tuabin quay và sản sinh công để chạy máy phát điện Máy phát điện được dẫn động trực tiếp bởi tuabin hơi nước với công suất nhất định.

Hơi nước sau khi giãn nở và sinh công ở tuabin sẽ được làm mát để ngưng tụ Sau đó, nước ngưng tụ sẽ được bơm quay trở lại nồi hơi, tiếp tục chu trình tuần hoàn.

 Nước làm mát ở thiết bị ngưng tụ có nhiệt độ ban đầu khoảng 30 o C, và ra khỏi thiết bị ngưng tụ ở nhiệt độ khoảng 40 o C, được làm mát ở tháp giải nhiệt

 Hệ thống phát điện tận dụng nhiệt khí thải trong nhà máy xi măng có các đặc điểm riêng như sau:

Hệ thống phát điện tận dụng nhiệt khí thải không có lò đốt riêng

Lò hơi tận dụng nhiệt khí thải không có ống gia nhiệt không khí (Air heater)

Hơi nước quá nhiệt có nhiệt độ và áp suất tương đối thấp

Nguồn điện sản xuất không phát điện lên lưới điện quốc gia mà chỉ đáp ứng nhu cầu điện năng của nhà máy xi măng

Kết quả nghiên cứu các sơ đồ nhiệt cho thấy thông số hơi chưa đồng nhất, với áp suất p nằm trong khoảng (0,8 – 2,0) MPa và nhiệt độ t từ (300 – 360) °C Điều này cho thấy vẫn chưa xác định được thông số tối ưu nhất.

CƠ SỞ TÍNH TOÁN

Ảnh hưởng của thông số hơi ban đầu

Khi tăng nhiệt độ ban đầu (t0) trong chu trình nhiệt động với áp suất ban đầu (p0) giữ hằng số, hiệu suất nhiệt sẽ tăng Điều này cho thấy mối quan hệ tích cực giữa nhiệt độ và hiệu suất trong quá trình hoạt động của hệ thống.

- Cùng với nhiệt độ tăng làm:

+ Khối lượng riêng của hơi sẽ giảm

+ Thể tích riêng tăng lên sẽ giảm tổn thất do ma sát

+ Chiều cao cánh của tuabin tăng lên dẫn đến sự tổn thất nhiệt ở hai đầu cánh

+ Độ ẩm cuối của hơi cũng sẽ giảm

+ Tính bền của kim loại giảm

+ Phải dùng mác thép cao: khó gia công, giá vật liệu cao

+ Độ tin cậy của thiết bị giảm

Như vậy khi tăng nhiệt độ to hiệu suất ηoi sẽ tăng theo

Hình 3.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu b Tăng áp suất ban đầu po và nhiệt độ ban đầu to là hằng số

Hình 3.3: Ảnh hưởng của áp suất hơi ban đầu Áp suất tăng:

+ Tăng khối lượng riêng của hơi

+ Giảm thể tích riêng và chiều cao cánh

+ Tăng tổn thất nhiệt ở hai đầu cánh

+ Tăng độ ẩm cuối của hơi

+ Thiết bị chịu áp lực cao do đó tăng chiều dày vách

Hiệu suất ηoi ảnh hưởng đến hiệu suất ηi, dẫn đến sự giảm hiệu suất này khi áp suất p o tăng lên ở nhiệt độ t o = const, so với hiệu suất nhiệt của chu trình.

Trong quá trình vận hành tuabin công nghiệp, độ ẩm của hơi nước không được vượt quá 12% để bảo vệ các cánh của các tầng cuối khỏi hư hại do giọt nước tách ra Nếu độ ẩm cao, hiệu suất làm việc của các tầng cuối sẽ bị giảm, với mỗi 1% độ ẩm có thể làm giảm hiệu suất từ 0,5% đến 1%.

Do vậy để đạt hiệu quả thì đòi hỏi phải hai yếu tố áp suất và nhiệt độ đầu vào của tuabin là phải tối ưu nhất

Các cặp nhiệt độ và áp suất hơi ban đầu tương ứng với độ ẩm cuối cho trước trong tuabin được gọi là thông số hơi ban đầu kết đôi Trên đồ thị i – s, các thông số kết đôi này nằm trên một đường thẳng thể hiện quá trình làm việc của hơi trong tuabin với cùng một độ ẩm cuối.

Việc lựa chọn thông số hơi ban đầu có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất chu trình nhiệt và chi phí đầu tư thiết bị Do đó, việc phân tích bài toán kinh tế - kỹ thuật là cần thiết để xác định áp suất và nhiệt độ ban đầu tối ưu cho từng trường hợp cụ thể.

Đường giãn nở của hơi trong tuabin

Dựa trên sơ đồ nhiệt đã chọn, chúng ta tiến hành tính toán để xác định các đặc tính kỹ thuật của thiết bị như áp suất, nhiệt độ và lưu lượng nước, hơi Qua đó, chúng ta có thể xác định các chỉ tiêu năng lượng và kinh tế - kỹ thuật cho nhà máy, bao gồm hiệu suất, suất tiêu hao nhiệt và tiêu hao nhiên liệu Để thực hiện tính toán sơ đồ nhiệt, trước tiên cần xây dựng đường giãn nở của hơi nước trong tuabin.

Quá trình giãn nở của hơi nước trong tuabin được thể hiện qua đồ thị i – s, giúp xác định các thông số liên quan đến hơi trích và hơi thoát ra khỏi tuabin.

Trong hình 3.4, đường giãn nở của hơi trong tuabin được mô tả với các điểm quan trọng: Điểm O là vị trí hơi đi vào tuabin, Điểm 2 thể hiện hơi ra khỏi tuabin trong trường hợp thực tế, trong khi Điểm 2 ‟ đại diện cho hơi ra khỏi tuabin trong trường hợp lý tưởng sau quá trình giãn nở đoạn nhiệt Cuối cùng, Điểm 1 là hơi bão hòa từ bình phân ly tới tuabin.

Phương pháp tối ưu điểm kẹp

Phương pháp tính toán thông số nhiệt động trong các bộ trao đổi nhiệt của lò hơi tận dụng nhiệt khí thải sử dụng điểm kẹp (Pinch Point), là độ chênh lệch nhiệt độ giữa nước vào dàn sinh hơi và khí thải ra khỏi dàn Việc tối ưu điểm kẹp là lựa chọn nhiệt độ sao cho phù hợp, không phải ngẫu nhiên Nhiệt độ điểm kẹp cần được xác định trong một khoảng nhất định, điều này có ý nghĩa kinh tế quan trọng.

HVTT: Cao Thái Nguyên Trang 36 chỉ ra rằng việc chọn nhiệt độ điểm quá thấp sẽ dẫn đến việc tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, từ đó làm tăng chi phí thiết bị Ngược lại, nếu chọn nhiệt độ điểm kẹp quá cao, năng lượng thu được từ khí thải sẽ bị giảm Do đó, việc lựa chọn giá trị điểm kẹp trong khoảng cho phép là tối ưu nhất để đạt hiệu quả cao.

Hình 3.5: Đồ thị t - F thể hiện giá trị điểm kẹp

XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ HƠI BAN ĐẦU

Các thông số ban đầu

4.1.1 Các thông số ban đầu thay đổi

+ Thông số của nguồn nhiệt thải

Trong quá trình tính toán và phân tích thông số hơi theo sơ đồ nhiệt đã chọn, chúng ta thường chưa biết chính xác các thông số này Do đó, việc lựa chọn nhiều cặp áp suất (p) và nhiệt độ (t) là cần thiết để tìm ra giá trị tối ưu nhất cho hệ thống.

Hai lò hơi trong sơ đồ hoạt động ở cùng một áp suất, do đó, để đảm bảo tính toán đồng bộ, chúng ta chọn Δt của hai lò biến thiên đồng bộ Độ biến thiên nhiệt độ giữa nhiệt độ khói vào và nhiệt độ hơi nước quá nhiệt ra khỏi lò hơi SP được tính là ΔtSP = t1SP - ta (đơn vị: °C, thay đổi tùy theo giá trị nhập) Tương tự, độ biến thiên nhiệt độ giữa nhiệt độ không khí nóng vào và nhiệt độ hơi nước ra khỏi lò hơi AQC là ΔtAQC = t1AQC - ta (đơn vị: °C, thay đổi tùy theo giá trị nhập) Áp suất làm việc trong lò hơi SP là p (đơn vị: MPa, thay đổi tùy theo giá trị nhập) và áp suất làm việc trong lò hơi AQC cũng là p (đơn vị: MPa, thay đổi tùy theo giá trị nhập) Nhiệt độ khói vào lò hơi SP được ký hiệu là t1SP (đơn vị: °C, thay đổi tùy theo giá trị nhập).

Nhiệt độ không khí nóng vào lò hơi AQC t 1AQC có thể thay đổi tùy theo giá trị nhập, với lưu lượng thể tích khói nóng vào SP V cũng được điều chỉnh theo giá trị nhập, tương tự như lưu lượng thể tích không khí nóng vào AQC V Giá trị điểm kẹp ΔtPP và độ hâm không tới mức Δt hâm cũng có thể thay đổi tùy theo thông số nhập vào.

4.1.2 Các thông số cố định Áp suất làm việc trong bình ngưng pk = 0,008 MPa

Hiệu suất trong tương đối ηoi = 0,82 [Trích từ tài liệu tham khảo 2 – Trang 15] Hiệu suất máy phát η g = 0,97 [Trích từ tài liệu tham khảo 2 – Trang 15]

Hiệu suất cơ ηm = 0,98 [Trích từ tài liệu tham khảo 2 – Trang 15]

Tổn thất ra môi trường là 2%

Sơ đồ trao đổi nhiệt lò hơi SP

Hình 4.1: Đồ thị t – F biểu diễn quá trình trao đổi nhiệt tại lò hơi SP

Lưu lượng khối lượng khói đi vào lò hơi:

Trong đó: ρ: Khối lượng riêng của khói ở đktc, kg/m 3

V: Lưu lượng thể tích khói nóng vào lò hơi SP ở đktc, m 3 /h Lưu lượng nước vào bộ sinh hơi của lò hơi SP

3 1 c a pkhoi khoi SP c a SP pkhoi khoi i i t t C

Cpkhói là nhiệt dung riêng đẳng áp của khói (kJ/kg.độ), trong khi entanpi của hơi ra khỏi lò hơi SP và entanpi của nước ở trạng thái lỏng sôi được đo bằng kJ/kg Nhiệt độ khói vào lò hơi SP (t1) và nhiệt độ khói đi qua khỏi dàn sinh hơi (t3) cũng rất quan trọng Lưu lượng nước vào ECO của lò hơi SP cần được theo dõi để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.

4 3 e d pkhoi khoi nuoc e d nuoc pkhoi khoi i i t t C

Sơ đồ trao đổi nhiệt lò hơi AQC

Hình 4.2: Đồ thị t – F biểu diễn quá trình trao đổi nhiệt tại lò hơi AQC Lưu lượng khối lượng không khí đi vào lò hơi:

Trong đó: ρ: Khối lượng riêng của không khí ở đktc, kg/m 3

V: Lưu lượng thể tích không khí nóng vào lò hơi AQC ở đktc, m 3 /h

Lưu lượng nước vào bộ sinh hơi của lò hơi AQC:

3 1 c a pkh kh AQC c a AQC pkh kh i i t t C

Cpkhí là nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí (kJ/kg.độ), ia là entanpi của hơi ra khỏi lò hơi AQC (kJ/kg), ic là entanpi của nước ở trạng thái lỏng sôi (kJ/kg), và t1 là nhiệt độ không khí nóng vào lò hơi AQC (°C).

Nhiệt độ không khí nóng được thải ra từ dàn sinh hơi của lò hơi AQC được xác định là t3, với giá trị là 40 độ C Điều này giúp đánh giá hiệu suất hoạt động của hệ thống và ảnh hưởng đến môi trường xung quanh.

Thông số nhiệt tại bộ góp từ hai lò hơi SP và AQC

Hình 4.3: Tổng hợp hai dòng hơi quá nhiệt tại bộ góp Xác định dòng hơi qúa nhiệt chung của hai dòng hơi đến bộ góp:

G1.iSP + G2.iAQC = Gqn.iqn [8] qn

Trong đó: i SP entanpi hơi quá nhiệt ra khỏi lò hơi SP, kJ/kg iAQC entanpi hơi quá nhiệt ra khỏi lò hơi AQC, kJ/kg

G1 lưu lượng nước qua lò hơi SP đến bộ góp, kg/s

G2 lưu lượng nước qua lò hơi AQC đến bộ góp, kg/s

G qn lưu lượng nước tổng lò hơi SP và AQC đến bộ góp, kg/s

Sau khi tìm được i qn tìm được tqn

Thông số nhiệt ở tuabin

Hình 4.4: Sơ đồ nhiệt tuabin Xác định được điểm O và 2 ‟

Ta tính được nhiệt giáng lý tưởng làm việc trong tuabin:

H o o kJ/kg [Trích tài liệu 2 – Trang 14] [10]

Trong đó: i o entanpi của hơi vào tuabin, kJ/kg i2‟ entanpi lý tưởng của hơi ra khỏi tuabin, kJ/kg Nhiệt giáng thực tế:

H i H o oi kJ/kg [Trích tài liệu 2 – Trang 14] [11]

Trong đó: H o Nhiệt giáng lý tưởng làm việc trong tuabin, kJ/kg ηoi hiệu suất trong tương đối Entanpi của hơi sau tuabin: i 2 i o H kJ/kg [12]

Trong đó: H Nhiệt giáng thực tế làm việc trong tuabin, kJ/kg Điểm đặc trưng xác định được O,1, 2, 2 ‟ dựa vào thông số đã tính toán

Thông số nhiệt bình phân ly

Hình 4.5: Sơ đồ nhiệt bình phân ly Xác định được lượng hơi phân ly đến bổ sung thêm cho tuabin phần hạ áp:

Lưu lượng nước vào ECO của lò hơi SP được xác định bằng G (kg/s), trong khi i' là entanpi của nước ở trạng thái lỏng sôi trong tuabin (kJ/kg) và i'' là entanpi của nước ở trạng thái bão hòa trong tuabin (kJ/kg) Công suất sinh ra từ hơi trong tuabin được tính toán dựa trên các thông số này.

Ni = GqnHv-r + GplHpl-r = Gqn(io – i2) +Gpl (ipl - i2) kW [16]

Công suất phát ra từ máy phát điện nếu ta chọn các giá trị: hiệu suất máy phát và hiệu suất cơ là 0,97 và 0,98 g m i e N

N kW [Trích tài liệu 2 – Trang 14] [17]

Trong đó: η g hiệu suất máy phát ηm hiệu suất cơ

Hiệu suất của nhà máy:

Trong đó: N e Công suất phát ra từ máy phát điện, kW

Q đv SP Dòng nhiệt do khói cấp vào lò hơi SP, kW

Q đv Dòng nhiệt do không khí cấp vào lò hơi AQC, kW

Phần mềm tính toán và sơ đồ khối tính toán

Trong quá trình tính toán, nhiều thông số phụ thuộc vào kinh nghiệm, điều kiện thực tế và đặc điểm thiết bị của nhà máy, như tổn thất áp suất trên đường ống hơi và hiệu suất tuabin Việc tính toán bằng tay thường chỉ đạt độ chính xác vừa phải và tốn nhiều thời gian trong khảo sát lựa chọn thông hơi ban đầu Do đó, việc sử dụng phần mềm Lab VIEW để tính toán và phân tích các thông số theo sơ đồ nhiệt đã chọn ở chương 2 của luận văn này là cần thiết Phần mềm này đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều năm và cho kết quả chính xác cao trong chế tạo, thiết kế và phân tích.

4.7.2 Giới thiệu phần mềm tính toán

4.7.2.1 Khái quát chung về phần mềm LabVIEW

LabVIEW (Virtual Instrument Engineering Workbench) là một môi trường phát triển dựa trên ngôn ngữ lập trình đồ họa, chuyên dùng cho đo lường, kiểm tra, đánh giá, xử lý và điều khiển thiết bị Ngôn ngữ lập trình đa năng này tích hợp dữ liệu, điều khiển nhiều thiết bị, phân tích và lưu trữ thông tin LabVIEW còn cung cấp các công cụ phát triển chuyên biệt để kết nối và điều khiển thiết bị, khác biệt với các ngôn ngữ lập trình truyền thống.

HVTT: Cao Thái Nguyên Trang 44 đề cập đến việc sử dụng các ngôn ngữ lập trình khác nhau, trong đó ngôn ngữ lập trình dòng lệnh được áp dụng phổ biến Trong khi đó, LabVIEW sử dụng ngôn ngữ lập trình đồ họa để phát triển các chương trình dưới dạng sơ đồ khối, cho phép giao tiếp hiệu quả hơn.

4.7.2.2 Lịch sử phát triển của LabVIEW

Kể từ khi ra đời, LabVIEW đã trải qua nhiều thay đổi và cải tiến Tính đến tháng 5 năm 2009, phiên bản LabVIEW 8.6 được phát hành với nhiều tính năng mới cùng với sự tương thích của các mô-đun cũ và mới, bao gồm mô-đun mô phỏng quá trình, xử lý hình ảnh, điều khiển chuyển động, cơ điện tử và công nghệ hóa sinh.

Kiểm tra và phân tích tín hiệu trong kỹ thuật bao gồm đo nhiệt độ và phân tích nhiệt độ trong ngày Quá trình thu thập dữ liệu diễn ra với các giá trị như áp suất và cường độ dòng điện Việc điều khiển các thiết bị, chẳng hạn như động cơ DC, là một phần quan trọng trong quy trình Sản phẩm được phân loại bằng chương trình xử lý ảnh để phát hiện lỗi và phế phẩm Báo cáo trong công nghiệp liên quan đến việc thu thập và phân tích dữ liệu, sau đó gửi thông tin cho người quản lý từ xa qua giao thức TCP/IP trong môi trường mạng Ethernet Cuối cùng, giao tiếp máy tính và truyền dẫn dữ liệu được hỗ trợ qua các cổng giao tiếp như USB, PCI, COM và RS-085.

4.7.2.4 Sự làm việc của LabVIEW

Các chương trình LabVIEW được gọi là thiết bị ảo (Virtual Instruments - VIs) vì chúng có hình dạng và hoạt động tương tự như các thiết bị vật lý như máy nghiệm dao động và máy hiện sóng Mỗi VI sử dụng các hàm để nhận tín hiệu đầu vào từ giao diện người dùng hoặc các nguồn khác, sau đó hiển thị thông tin hoặc chuyển dữ liệu tới các file hoặc máy tính khác.

4.7.2.5 LabVIEW sử dụng ngôn ngữ lập trình G

Ngôn ngữ lập trình G là một ngôn ngữ đồ họa, chuyên dùng để mô tả các kết nối và mối quan hệ giữa các đối tượng trong biểu đồ khối.

Ngôn ngữ G trong LabVIEW, do Cao Thái Nguyên Trang 45 trình bày, khác biệt với ngôn ngữ lập trình dạng text ở chỗ nó không thực thi tuyến tính mà cho phép thực hiện nhiều lệnh song song Trong khi ngôn ngữ dạng text chỉ thực thi một lệnh tại một thời điểm, ngôn ngữ G cho phép một khối đồ họa được thực thi khi các input của nó được xác định, tạo ra khả năng thực hiện đồng thời các hoạt động.

Lập trình khá dễ dàng cho những công việc rất phức tạp chẳng hạn như sự tự động hóa của những thí nghiệm phức tạp

 Tất cả khả năng của LabVIEW đều “phơi bày” trên desktop

Một lợi thế quan trọng là khả năng thực thi các script được gửi từ xa từ bất kỳ ứng dụng nào có quyền truy cập vào máy chủ NI DataSocket, sử dụng giao thức TCP/IP hiệu quả.

Bất lợi của LabVIEW là người dùng có thể dễ bị rối bởi nhiều biểu đồ, đặc biệt nếu không đủ kiên nhẫn hoặc nếu công việc được thiết lập sai từ đầu Tất cả các khả năng của LabVIEW đều được thể hiện rõ ràng trên desktop.

4.7.2.6 Thiết bị ảo (VI- Vitual Instrument)

Lập trình LabVIEW sử dụng thiết bị ảo để mô phỏng các thiết bị thực Các đối tượng trong thiết bị ảo được tạo ra bởi phần mềm, cho phép người dùng tương tác như với các thiết bị thực tế Các VI (Virtual Instruments) trong LabVIEW tương tự như các hàm trong các ngôn ngữ lập trình khác, cung cấp tính linh hoạt và khả năng lập trình mạnh mẽ.

Font panel là giao diện người dùng của VI, được xây dựng từ các bộ điều chỉnh và dụng cụ chỉ thị Những thiết bị này đóng vai trò là đầu cuối input và output tương tác trong VI Các bộ điều khiển và dụng cụ chỉ thị ảo được tìm thấy trong Controls palette.

Dụng cụ hiển thị là những biểu đồ, LED và những hiển thị khác Dụng cụ

HVTT: Cao Thái Nguyên Trang 46 hiển thị mô phỏng cơ cấu output của thiết bị và hiển thị dữ liệu như block diagram

4.6: Giao diện người dùng Một chương trình chung trong LabVIEW gồm 3 phần chính: một là giao diện với người sử dụng (Front Panel), hai là giao diện dạng sơ đồ khối cung cấp mã nguồn (Block Diagram) và biểu tượng kết nối (Icon /Connector) Front Panel thường gồm các bộ điều khiển (control) và các bộ chỉ thị (Indicator):

+ Control là các đối tượng đặt trên Front Panel để cung cấp dữ liệu cho chương trình Nó tương tự như đầu vào cung cấp dữ liệu

+ Indicator là đối tượng được đặt trên Front Panel dùng để hiển thị kết quả, nó tương tự như bộ phận đầu vào của chương trình

Block diagram chứa mã nguồn đồ họa, hay còn gọi là mã G, cho phép VI hoạt động Nó sử dụng các biểu tượng hàm đồ họa để điều khiển các đối tượng trên front panel, mà hiển thị như những biểu tượng thiết bị đầu cuối trong block diagram Dây dẫn kết nối các bộ điều khiển và thiết bị hiển thị với các Express VIs, VIs, và các hàm Dòng dữ liệu di chuyển qua dây dẫn từ các bộ điều khiển đến các VI và hàm, và từ các VI và hàm này đến các VI và hàm khác.

Các VI và function tương tác với thiết bị hiển thị thông qua sự di chuyển dữ liệu qua các nút trong sơ đồ khối Quá trình này xác định lệnh thực thi của các VI và function, và được gọi là lập trình dòng dữ liệu.

Kết quả tính toán

Trong chương trước, chúng tôi đã trình bày cơ sở để chọn chu trình nhiệt và thực hiện tính toán, phân tích theo chu trình đã chọn Việc tính toán chu trình nhiệt được thực hiện thông qua phần mềm Lab VIEW, và kết quả của chương trình sẽ được trình bày dưới đây Phần mềm này giúp khảo sát và đánh giá các đặc tính, bao gồm ảnh hưởng của cặp thông số kết đôi đến hiệu suất và suất tiêu hao nhiên liệu Từ đó, chúng tôi lựa chọn cặp thông số kết đôi tối ưu nhất cho chu trình nhiệt với khoảng giá trị tính toán là Δt = (20 – 60) o C.

Và p = (1,0 – 2,0) Mpa Bài viết này trình bày kết quả tính toán cho một nhà máy xi măng với công suất 4,400 tấn clinker mỗi ngày, bao gồm các thông số kỹ thuật của hai lò hơi.

Lò hơi SP: Lưu lượng thể tích khói vào 242000 m 3 /h

Nhiệt độ 340 o C [Lưu lượng và nhiệt độ trích theo tài liệu 11]

Lò hơi AQC: Lưu lượng thể tích không khí vào 89000 m 3 /h

Nhiệt độ 360 o C [Lưu lượng và nhiệt độ trích theo tài liệu

Kết quả chạy chương trình cho từng cặp thông số kết quả được biểu diễn dưới đây: (dấu thập phân trong chạy chương trình và kết quả tính là “.”)

Các điểm đặc trưng trong tuabin

Các điểm đặc trưng Áp suất MPa

Thông số nhiệt động các điểm đặc trưng trên sơ đồ nhiệt

Nhiệt độ oC Áp suất MPa

Entanpi kJ/kg Nước cấp cho lò hơi AQC 7.218 60.0 1.812 252.66

Nước cấp cho lò hơi SP 1.844 60.0 1.812 252.66

Nước đến bao hơi AQC 2.126 190.0 1.740 810.72

Nước đến bao hơi SP 5.092 190.0 1.740 810.72 Hơi ra khỏi lò hơi AQC 2.020 330.0 1.450 3105.55 Hơi ra khỏi lò hơi SP 4.837 310.0 1.450 3061.73 Hơi quá nhiệt đến tuabin 6.857 314.7 1.350 3074.67 Hơi bão hoà đến tuabin 0.311 100.5 0.103 2676.36

Chỉ tiêu về năng lượng:

- Nhiệt giáng lý tưởng của hơi quá nhiệt làm việc trong tuabin: Ho 865.63 kJ/kg

- Công suất do hơi sinh ra trong tuabin: Ni = 4964.14 kW

- Công suất phát ra từ máy phát điện: Ne = 4718.91 kW

- Suất tiêu hao hơi quá nhiệt của tuabin: De = 5.23166 kg/kWh

- Hiệu suất của nhà máy: η = 10.888

Kết quả cho thấy nhiệt độ và áp suất trong chu trình nhiệt là phù hợp, với mức độ không quá cao cũng không quá thấp Mối quan hệ giữa thông số kết đôi và suất tiêu hao hơi nhiên liệu chỉ ra rằng việc tăng nhiệt độ và áp suất hơi nước vào tuabin sẽ nâng cao hiệu suất chu trình nhiệt và hiệu suất nhà máy điện Ngược lại, việc giảm nhiệt độ và áp suất sẽ làm giảm hiệu suất của nhà máy điện.

HVTT: Cao Thái Nguyên Trang 54 sẽ giảm, dẫn đến ảnh hưởng đến kích thước thiết bị của tuabin Điều này cũng liên quan đến việc sử dụng vật liệu có tính chất thay đổi và các tổn thất khác liên quan đến tuabin.

Hình 4.13: Đồ thị biểu diễn các điểm đặc trưng trong tuabin trường hợp 1

Kết quả từ đồ thị cho thấy độ khô x nằm trong khoảng 0.9 – 0.95 là lý tưởng cho hoạt động của tuabin, với độ khô càng gần 0.95 càng tốt Việc giảm độ ẩm sẽ góp phần hạn chế hư hỏng trong tuabin.

Nước cấp cho lò hơi AQC có entanpi 6.981 kJ/kg ở nhiệt độ 60.0°C và áp suất 1.750 bar, trong khi nước cấp cho lò hơi SP có entanpi 1.608 kJ/kg tại cùng nhiệt độ và áp suất Nước đến bao hơi AQC có entanpi 2.162 kJ/kg ở nhiệt độ 189.0°C, trong khi nước đến bao hơi SP có entanpi 5.186 kJ/kg tại cùng điều kiện Hơi ra khỏi lò hơi AQC có entanpi 2.054 kJ/kg ở nhiệt độ 320.0°C, trong khi hơi ra khỏi lò hơi SP có entanpi 4.927 kJ/kg ở nhiệt độ 300.0°C Hơi quá nhiệt đến tuabin có entanpi 6.981 kJ/kg tại 314.1°C, trong khi hơi bão hòa đến tuabin có entanpi 0.311 kJ/kg ở nhiệt độ 98.8°C.

- Công suất do hơi sinh ra trong tuabin: N i = 5016.55 kW

Khi tăng độ biến thiên nhiệt độ giữa khói vào lò hơi và nhiệt độ nước ra khỏi lò hơi, đồng thời giảm áp suất làm việc trong lò hơi, nhiệt độ hơi bão hòa đến tuabin sẽ giảm xuống dưới 100 oC, dẫn đến áp suất bão hòa nhỏ hơn áp suất khí quyển Điều này tạo điều kiện cho không khí bên ngoài dễ dàng xâm nhập vào hệ thống, ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình làm việc trong tuabin.

Để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, cần khắc phục các thiết bị trong hệ thống nhằm duy trì áp suất hợp lý, tránh tình trạng khí lạ và các chất khác gây mất ổn định.

Nước cấp cho lò hơi SP có thông số 0.166 MPa, nhiệt độ 60.0°C, lưu lượng 1.375 m³/h, và áp suất 252.29 kPa Nước đến bao hơi AQC đạt 2.251 MPa, nhiệt độ 178.0°C, lưu lượng 1.320 m³/h, với áp suất 754.76 kPa Nước đến bao hơi SP tương tự với thông số 5.453 MPa, 178.0°C, 1.320 m³/h và 754.76 kPa Hơi ra khỏi lò hơi AQC có áp suất 2.139 MPa, nhiệt độ 325.0°C, lưu lượng 1.100 m³/h, và áp suất 3102.75 kPa Hơi ra khỏi lò hơi SP có thông số 5.180 MPa, 305.0°C, 1.100 m³/h và 3059.83 kPa Hơi quá nhiệt đến tuabin đạt 7.319 MPa, 310.6°C, 1.000 m³/h và 3074.57 kPa, trong khi hơi bão hoà đến tuabin có áp suất 0.306 MPa, nhiệt độ 87.5°C, lưu lượng 0.063 m³/h và áp suất 2655.44 kPa.

Chi tiêu về năng lượng:

Trong trường hợp áp suất làm việc của lò hơi quá thấp, lưu lượng nước cấp cho lò hơi SP có dấu âm, cho thấy lò hơi này không cần bộ hâm nước Tuy nhiên, theo kết quả phân tích trong chương 2 của luận văn, mặc dù đã chọn sơ đồ nhiệt mà cả hai nồi hơi SP và AQC đều có bộ hâm nước, nhưng kết quả tính toán lại không phù hợp với lý thuyết đã trình bày.

Ngoài ra trong trường hợp này nhiệt độ hơi bão hòa đến tuabine nhỏ hơn

100 o C do vậy áp suất làm việc cũng nhỏ hơn áp suất khí quyển ảnh hưởng đến tuabin khi không khí bên ngoài lọt vào hệ thống

Đồ thị chỉ ra rằng độ khô của trường hợp này rất tốt, dẫn đến độ ẩm trong cánh tuabin giảm Điều này giúp giảm thiểu hư hỏng cho cánh tuabin cũng như các thiết bị bên trong tuabin.

Nước cấp cho lò hơi SP 2.073 60.0 1.875 252.71

Khi đồng thời tăng độ biến thiên nhiệt độ giữa khói vào lò hơi và nhiệt độ hơi nước ra, cùng với áp suất làm việc, thông số hơi vào tuabin sẽ tăng cả về nhiệt độ lẫn áp suất Việc tăng nhiệt độ hơi ban đầu nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình và giảm nhiệt giáng trong tuabin là giải pháp quan trọng để tiết kiệm nhiên liệu cho nhà máy Tuy nhiên, chi phí thiết bị cũng tăng do áp suất cao làm tăng bề dày và trọng lượng thiết bị Nhiệt độ cao hơn giảm ứng suất cho phép của kim loại, yêu cầu phải tăng kích thước và trọng lượng thiết bị nếu sử dụng cùng loại thép Nếu chuyển sang loại thép bền hơn, chi phí hệ thống sẽ tăng đáng kể, ảnh hưởng đến tính kinh tế và công nghệ gia công tuabin.

Kết quả chương trình cho thấy nhiệt độ và áp suất hơi bão hòa trong tuabin đều đạt yêu cầu, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả so với áp suất khí quyển.

Entanpi kJ/kg Nước cấp cho lò hơi AQC 7.460 60.0 1.500 252.39 Nước cấp cho lò hơi SP 0.500 60.0 1.500 252.39

- Công suất do hơi sinh ra trong tuabin: Ni = 4930 kW

Khi giảm độ biến thiên nhiệt độ giữa khói vào lò hơi và nhiệt độ hơi nước ra khỏi lò hơi, cũng như áp suất làm việc trong lò hơi, cặp thông số kết đôi vào tuabin sẽ giảm, dẫn đến công suất phát điện và công suất do hơi sinh ra trong tuabin cũng giảm theo Kết quả là hiệu suất của chu trình nhiệt không đạt yêu cầu.

Nhiệt độ và áp suất bão hòa trong tuabin thường thấp hơn áp suất khí quyển, điều này tạo điều kiện cho không khí bên ngoài dễ dàng thâm nhập vào hệ thống.

Từ đồ thị cho ta thấy độ khô của đường giãn nở thực tế sau khi ra khỏi tuabin nằm trong khoảng cho phép theo yêu cầu kỹ thuật

Thông số nhiệt động các điểm đặc trưng trên sơ đồ

Entanpi kJ/kg Nước cấp cho lò hơi AQC 6.853 60.0 2.500 253.23 Nước cấp cho lò hơi SP 3.850 60.0 2.500 253.23 Nước đến bao hơi AQC 2.041 206.3 2.400 881.43 Nước đến bao hơi SP 4.811 206.3 2.400 881.43

Hơi ra khỏi lò hơi AQC 1.939 300.0 2.000 3024.25 Hơi ra khỏi lò hơi SP 4.571 280.0 2.000 2977.21 Hơi quá nhiệt đến tuabin 6.510 320.9 1.900 3074.81 Hơi bão hoà đến tuabin 0.321 116.2 0.176 2700.44

- Nhiệt giáng lý tưởng làm việc trong tuabin: Ho = 916.88 kJ/kg

- Công suất do hơi sinh ra trong tuabin: N i = 5015.43 kW

- Hiệu suất của chu trình: η = 11.000

KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ

Tiêu đề	Nghiên cứu, đề xuất thông số nhà máy nhiệt điện tận dụng nhiệt khí thải từ lò nung nhà máy xi măng
Tác giả	Cao Thái Nguyên
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Văn Tuyên
Trường học	Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công nghệ nhiệt
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2013
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	98
Dung lượng	3,29 MB