Một số ý kiến đóng góp cho hệ thống quạt gió lò hơi

Quạt gió gây ra một số phụ tải ký sinh lớn nhất cần thiết trong vận hành lò hơi. Tuy nhiên các quạt này (dùng để cung cấp không khí cho quá trình cháy và sau đó xả khói thải ra ngoài thông qua hệ thống kiểm soát ô nhiễm không khí) có thể được tối ưu hóa để giảm yêu cầu phụ tải này. Các quạt này bao gồm quạt gió sơ cấp, quạt gió cưỡng bức, quạt gió quá nhiệt, quạt tuần hoàn khói thải và quạt hút khói. Nhiều khi các quạt gió này hoạt động kém hiệu quả, lãng phí điện năng, đồng thời gây ra lượng cacbon thải quá mức.

Gợi ý 1: Thiết kế tốt hệ thống đường ống

Tổn thất hệ thống, không kể đến tổn thất lò hơi và thiết bị phụ của lò hơi, thường là do tổn thất áp lực tổng do ma sát trong đường ống, ống khuỷu, thay đổi diện tích mặt cắt đường ống và tổn thất liên quan với thiết bị kiểm soát phát thải gây nên.

Tổn thất ở mức độ nhất định là không tránh khỏi, tuy nhiên, có thể giảm tổn thất xuống nhiều lần bằng những sửa đổi đơn giản và tương đối rẻ như xoay các cánh hướng, sử dụng các đoạn đường ống được thiết kế hợp lý hơn, dài hơn để phân nhánh và hội tụ dòng khí, thiết kế lại ống khuỷu kết hợp và nâng cao đặc tính khí động học hoặc loại bỏ các cản trở trên tuyến dòng chảy.

Tổn thất áp lực tổng do dòng chảy qua hệ thống là do hai yếu tố gây ra: Tổn thất ma sát do độ nhớt khi không khí chảy dọc theo bề mặt của đường ống và thiết bị hệ thống, tổn thất động lực chảy rối do những thay đổi về hướng và sự phân dòng qua các vật cản.

Áp lực tổng (Pt) trong một hệ thống bao gồm hai thành phần, áp lực tĩnh (Ps) và áp lực vận tốc (Pv). Pt bằng tổng của Ps và Pv [Pt = Ps + Pv]. Ps là thành phần áp lực chỉ do hiện tượng nén và Pv là thành phần chỉ do chuyển động. Các thành phần áp lực này thay đổi khi tiết diện thay đổi. Theo định luật bảo toàn năng lượng, tổng của Ps và Pv tại bất kỳ điểm nào trong hệ thống dòng chảy đều bằng tổng của Ps và Pv tại bất kỳ điểm nào khác trong hệ thống cộng với tổn thất áp lực giữa hai điểm đó.

Mỗi lần có sự chuyển đổi năng lượng là có tổn thất áp lực tổng. Tiết diện thay đổi càng đột ngột thì tổn thất càng lớn. Giảm bớt số lần thay đổi tiết diện sẽ làm giảm tổn thất hệ thống. Một khi xác định là phải thay đổi, thì thay đổi càng nhẹ nhàng, hoặc góc phân dòng hay hội tụ ở đoạn chuyển tiếp càng nhỏ thì tổn thất càng thấp. Nếu có thể, giữ sao cho góc hội tụ tổng không lớn hơn 30º và góc phân dòng tổng không lớn hơn 15º.

Tổn thất xảy ra mỗi khi có thay đổi hướng dòng chảy hoặc có ống khuỷu càng ít thì càng tốt. Vận tốc khói nên giới hạn ở 1.220 m/min. Tỷ số hình dạng không nên nhỏ hơn 1:1 và không lớn hơn 4:1. Đường ống tròn, tỉ số giữa chu vi và tiết diện là nhỏ nhất chính là mặt cắt tối ưu để đạt tổn thất ma sát thấp nhất.

Xoay cánh hướng lắp đặt trong ống khuỷu có thể giúp làm giảm tổn thất cũng như hướng dòng chảy và giữ cho biểu đồ vận tốc được đồng đều. Kết hợp các ống khuỷu khi có thể. Ví dụ, khi đường ống thay đổi độ cao, thì sử dụng hai ống khuỷu 45º thay vì hai ống khuỷu 90º, khi có thể. Ngoài ra, cố gắng duy trì một bán kính xoay hợp lý trên ống khuỷu. Nói chung, bán kính của ống khuỷu càng nhỏ thì tổn thất sẽ càng lớn.

Nếu có bất kỳ vật cản không cần thiết nào trong hệ thống đường ống hoặc có bất kỳ thiết bị nào không sử dụng đến, thì tốt nhất là nên đánh giá tổn thất và xem xét loại bỏ chúng. Chỉ cần đo áp suất tổng trước và sau chỗ tắc nghẽn hoặc thiết bị là có thể xác định được tổn thất và chi phí vận hành.

Lắp ráp theo đúng yêu cầu kỹ thuật của nhà chế tạo là yêu cầu hết sức quan trọng đối với tính năng hoạt động của quạt khói lò hơi

Gợi ý 2: Chọn kích cỡ quạt gió hợp lý

Quạt gió vận hành kém có thể góp phần quan trọng trong tổn thất ký sinh quá mức của lò hơi. Quạt gió có một điểm trên đường cong làm việc của quạt tại đó hiệu suất đạt giá trị cao nhất, điểm này thường nằm ở ngay bên phải điểm tại đó quạt đạt giá trị công suất lớn nhất. Nhà chế tạo quạt gió thường chọn kích cỡ và thiết kế quạt sao cho đường cong tính năng và đường cong trở lực của hệ thống giao nhau tại điểm hiệu suất. Tuy nhiên, thường không đạt được điểm vận hành này do có quá nhiều hệ số an toàn trong yêu cầu kỹ thuật của chủ đầu tư, người thiết kế công trình và cuối cùng là nhà chế tạo quạt.

Quạt cần chọn đúng kích cỡ. Với quạt quá khổ, nhiều khi phải thu hẹp đáng kể đường vào mà như vậy là kém hiệu quả. Nhiều nhà thiết kế sợ rằng nếu chọn quạt quá nhỏ và quạt trở thành yếu tố hạn chế những khi vận hành có phụ tải tăng cao nên áp dụng các hệ số an toàn lớn hơn mức cần thiết. Nếu chọn lưu lượng thể tích quá lớn, quạt sẽ được chọn quá rộng và sau đó nó sẽ hoạt động gần với đỉnh của nó hơn, dẫn đến khả năng vận hành không ổn định.

Nếu chọn áp lực quá cao, sẽ phải chặn đường gió quá mức để đạt được điểm vận hành. Thiết kế cho lưu lượng dòng chảy hay áp lực quá nhỏ sẽ khiến cho quạt bị hụt và không thể đáp ứng yêu cầu hút vào những lúc phụ tải cao điểm. Vì vậy, như đã nói ở trên, điều bắt buộc là người thiết kế phải nắm rõ lưu lượng thể tích cần cho quá trình này và yêu cầu về áp lực của hệ thống đối với lưu lượng dòng chảy sao cho xác định được đúng kích cỡ quạt gió.

Nhiều khi có thể tăng hoặc giảm đầu cánh để nâng cao tính năng sao cho phù hợp hơn với hệ thống thực tế tại đó quạt đang vận hành. Tăng và giảm đầu cánh có nghĩa là thay đổi đường kính hiệu dụng của bánh công tác, nhưng không làm thay đổi chiều rộng hiệu dụng của bánh công tác. Về vấn đề sửa đổi đầu cánh, các định luật về mô hình còn gọi là định luật về quạt không giống với việc tăng đường kính lên kích thước hình học toàn phần (xem các công thức 2-4).

Q₂ = Q₁ x (D₂/D₁)² x (N₂/N₁)                   (2)

Ps₂ = Ps₁ x (D₂/D₁)² x (N₂/N₁)² x ρ2/ρ1  (3)

P₂ = P₁ x (D₂/D₁)⁴ x (N₂/N₁)³ x ρ2/ρ1  (4)   

Trong đó: Q = lưu lượng; D= đường kính hiệu dụng của bánh công tác; N = tần số quay của bánh công tác; Ps = áp lực tĩnh; ρ = mật độ khí; P = công suất hãm.

Nếu một quạt nào đó phải giảm nhẹ tới 30% hay nhiều hơn ở điểm phụ tải đỉnh, thì nên giảm đầu cánh (tháo bỏ đầu cánh để giảm đường kính hiệu dụng). Đường kính nhỏ hơn sẽ làm giảm khả năng tạo áp lực của bánh công tác và do đó cho phép mở van điều tiết nhiều hơn và giảm công suất tiêu thụ.

Ngược lại, nếu cần thêm công suất, thì tăng đường kính bằng cách lắp thêm các đầu mút và tăng đường kính hiệu dụng có thể là phương án lựa chọn thích hợp. Nó sẽ làm tăng khả năng tạo ra áp suất tổng của bánh công tác, thay đổi điểm định mức trên đường cong làm việc của quạt và nói chung cho phép đạt lưu lượng thể tích cao hơn. Bởi vì sinh ra công lớn hơn nên bánh công tác sẽ tiêu thụ công suất lớn hơn. Công suất thay đổi theo lũy thừa bậc bốn của thay đổi đường kính hiệu dụng.

Khi làm thay đổi bánh công tác, cũng phải giải quyết các vấn đề khác về thiết kế. Khối lượng rôto thay đổi sẽ ảnh hưởng tới các thông số tới hạn của trục cũng như các ứng suất trong cánh và các bộ phận xung quanh. Ngoài ra, quán tính của rotor (ωR2 hoặc ωK2) sẽ thay đổi, ảnh hưởng đến các đặc tính khởi động của quạt. Sẽ phải khảo sát động cơ để đảm bảo nó có khả năng tăng tốc khi thêm bất kỳ phụ tải nào. Các khe hở trong vỏ máy, đặc biệt ở vùng giới hạn, sẽ cần phải xem xét lại. Khi bánh công tác gần với ngưỡng giới hạn hơn, thì tiếng ồn có thể trở thành vấn đề. Độ cao khó chịu có thể chiếm ưu thế. Nếu đường kính bánh công tác bị giảm quá nhiều, khoảng cách tới ngưỡng giới hạn sẽ quá lớn và có thể là nguyên nhân gây tổn thất hiệu suất. Nói chung, cần có một khoảng cách giữa đầu mút của bánh công tác và ngưỡng giới hạn bằng 6 đến 12% đường kính hiệu dụng.

Gợi ý 3: Tạo ra các điều kiện đầu vào và đầu ra được thiết kế tốt

Một nguyên nhân gây suy giảm hiệu suất quạt thường gặp là các hiệu ứng hệ thống. Các hiệu ứng này xuất hiện do sự khác biệt giữa các chỗ nối đầu vào và đầu ra của quạt với hệ thống được lắp đặt và các chỗ nối được tiêu chuẩn hóa sử dụng trong các thử nghiệm trong phòng để đạt được các thông số định mức của quạt.

Các hiệu ứng hệ thống quạt xuất hiện ở nơi có một biến dạng vận tốc đáng kể do có sự thay đổi đột ngột về tiết diện hoặc ống khuỷu gần lối vào hoặc lối ra của quạt. Các đoạn ống dài, thẳng ở đầu vào và đầu ra thì gần đúng hơn với các điều kiện phòng thí nghiệm. Trong hầu hết các trường hợp thực tế, do không gian hạn chế nên khó có chỗ cho các đoạn đường ống dài này. Để giảm thiểu các hiệu ứng hệ thống khi mà không thể tránh bố trí chỗ ngoặt gần quạt, thì các chỗ ngoặt đường ống phải luôn theo chiều quay của quạt.

Bằng cách này, có thể loại trừ được trạng thái dòng xoáy ngược ở cửa hút và cửa đẩy. Ngoài ra, nên sử dụng cánh hướng trong các trường hợp này để giúp tạo ra các biểu đồ vận tốc đều nhất có thể. Để làm việc tốt, quạt cần có một đoạn có chiều dài bằng ba lần đường kính tương đương của ống tại cửa đẩy của quạt nhằm đạt được độ khuếch tán và biểu đồ vận tốc đồng đều. Chiều dài bằng ba lần đường kính tương đương của ống là phù hợp với vận tốc xả không lớn hơn 900 m/min. Cứ tăng tốc độ thêm 300 m/min, thì lại phải kéo dài đoạn ống thẳng tại cửa đẩy của quạt thêm một lần đường kính ống.

 D₁ = 4ab/p       (1)

 (1); a và b = chiều dài các cạnh của ống dẫn hình chữ nhật; D_E = đường kính tương đương của ống dẫn

Đối với các quạt hai cửa hút, điều rất quan trọng là đoạn ống chia dòng khí phải được được thiết kế chuẩn. Đoạn ống này thường được các nhà chế tạo quạt gọi là ống quần bởi vì nó có hình dạng như một chiếc quần dài. Mục tiêu là để phân phối dòng chảy đồng đều nhất có thể cho cả hai hộp đầu hút và duy trì biểu đồ vận tốc đồng đều mong muốn. Tuy nhiên, ống dẫn tới quạt khói thường chạy song song với trục và đi vào từ một phía của quạt. Trong những tình huống này, nên sử dụng cánh hướng xoay kiểu bộ chia để tác động đến dòng chảy phía trước ống quần và giúp cấp khí đều cho cả hai hộp nhận. Bằng việc chia dòng chảy đúng cách, có thể tránh được các hiệu ứng hệ thống và các vấn đề về lực dọc trục trên quạt.

Gợi ý 4: Quạt phải được lắp đặt đúng

Lắp ráp quạt đúng cách là yêu cầu rất quan trọng để quạt làm việc tốt. Một trong những chỗ quan trọng nhất nhưng ít được đánh giá đúng nhất là nơi phễu đầu vào giao với lỗ của khối quay. Các phễu đầu vào nên được lắp chính xác theo như chỉ dẫn của các nhà chế tạo quạt. Đặt phễu xa lỗ hơn so với chỉ định có thể tạo ra khe hở và gây ra tái tuần hoàn quá mức. Mặt khác, chèn phễu quá sâu trong lỗ có thể gây ra phân chia dòng chảy ở đầu vào, làm giảm lưu lượng thể tích. Như vậy, quạt hoạt động như thể nó được thiết kế với bánh công tác hẹp hơn.

Bởi vì quạt khói đẩy khói nóng nên phải chú ý lắp phễu ở trạng thái nguội, ở đó nó sẽ tăng lên và tự định tâm. Ngoài ra, điều quan trọng là rôto và vỏ máy phải được lắp đặt vuông vắn và thẳng hàng với nhau trên các kiểu bệ độc lập.

Đường ống luôn phải uốn thuận với hướng quay của quạt gió để loại trừ các tình trạng dòng xoáy ngược.

Gợi ý 5: Quyết định đúng về van điều tiết hoặc hoạt động với tốc độ thay đổi

Tiết lưu bằng van điều tiết hay sử dụng cơ cấu truyền động thủy lực, động cơ hai tốc độ hoặc bộ biến tần để thay đổi tốc độ nhằm điều khiển tính năng quạt. Hầu hết các quạt được điều khiển bằng các van điều tiết đầu vào lắp trên hộp đầu vào của quạt hoặc bằng các van điều tiết cánh hướng kiểu hướng tâm được gắn vào phễu đầu vào. Các kiểu van điều tiết này sẽ làm quay dòng khói trước khi vào cửa hút của rôto quạt và giảm nhẹ công cơ khí quạt tác động lên dòng khói.

Với các ứng dụng sạch, khuyến cáo nên sử dụng các van điều tiết kiểu hướng tâm. Chúng hiệu quả hơn các van điều tiết song song lắp trên hộ đầu vào và giảm được công suất tiêu thụ tới 3%. Đối với các ứng dụng phụ tải nền, ít hoặc không có yêu cầu thay đổi lớn về tính năng quạt, thì nên sử dụng van điều tiết để điều khiển. Tuy nhiên, nếu có những thay đổi lớn trong quá trình vận hành và do đó có những thay đổi đáng kể trong hoạt động của quạt, thì vận hành với tốc độ biến thiên có nhiều khả năng sẽ là sự lựa chọn tốt hơn.

Có một số phương án tốt cho hoạt động với tốc độ thay đổi. Khớp nối thuỷ lực đặt giữa quạt và động cơ điện cho phép quạt chạy chậm lại khi được tiết lưu mạnh trong khi đó động cơ vẫn tiếp tục chạy ở tốc độ toàn phần. Công suất quạt thay đổi theo lập phương của thay đổi tốc độ, trong khi tổn thất công suất trong khớp nối thì tỷ lệ thuận với tốc độ. Vì vậy, tùy thuộc vào chu trình làm việc, có thể tiết kiệm được điện năng.

Động cơ hai tốc độ với kiểu điều khiển van tiết lưu nào đó có thể là phương cách hấp dẫn, hiệu quả về chi phí để tiêu thụ điện năng. Động cơ điều biến biên độ cực có thể hoạt động ở hai tốc độ đồng bộ liền kề. Khi đó lựa chọn quạt sao cho tốc độ khối thử nghiệm được đáp ứng với tốc độ động cơ cao hơn và điểm thực hay là điểm liên tục được coi như lớn nhất được đáp ứng với tốc độ liền kề thấp hơn.

Các thay đổi nhỏ sau đó được kiểm soát bằng các van điều tiết đầu vào quạt. Phương án lựa chọn tốt nhất hiện nay về hoạt động với tốc độ thay đổi là động cơ điện làm việc với bộ biến đổi điện cùng với một bộ truyền động có thể điều chỉnh tần số. Với kiểu bộ truyền động loại này, tổn thất ở mức thấp nhất, tốc độ có thể giảm tới mười lần mà đầu tư ban đầu chỉ ở mức hợp lý.

Gợi ý 6: Nâng cấp để có kiểu thiết kế cánh quạt thích hợp

Một phương pháp hiệu quả khác để nâng cao công suất hay hiệu suất quạt là thay đổi thiết kế bánh công tác hiện nay thành kiểu thiết kế cánh khác. Khi đánh giá tiết kiệm tiêu thụ điện năng, thì thu hồi vốn thường có thể là ngay lập tức. Các kiểu cánh quạt thường gặp gồm có hướng tâm, đầu cánh hướng tâm, cong về phía trước, phẳng nghiêng về phía sau, cong về phía sau và dạng khí động. Hiệu suất tĩnh của tất cả các kiểu này là khác nhau, loại cánh hướng tâm có hiệu suất thấp nhất và cánh quạt có dạng khí động có hiệu suất cao nhất, với lượng điện năng cần để làm cùng một công việc chênh nhau khoảng 15%.

Rõ ràng là có khả năng tiết kiệm lớn trong vận hành, thu hồi vốn nhanh nếu bạn biết đầu tư đúng chỗ. Các khoản đầu tư nhỏ để làm những việc như bổ sung thêm cánh hướng xoay, thay đổi thiết kế ống khuỷu hoặc điều chỉnh vị trí của phễu đầu vào trong lỗ của bánh công tác có thể mang lại lợi nhuận lớn.

Theo: KHCN Điện