1. Quá trình sôi
Quá trình đun sôi nước để tạo hơi là hiện tượng quen thuộc. Về mặt nhiệt động lực học, thay vì tăng nhiệt độ nước, năng lượng được sử dụng để chuyển pha từ lỏng sang khí, tức là từ nước thành hơi. Một hệ thống sinh hơi cần cung cấp quá trình chuyển đổi liên tục này.
Trường hợp đơn giản nhất là lò hơi dạng nồi (Hình 6), nơi một lượng nước cố định được đun nóng. Nhiệt cung cấp làm tăng nhiệt độ nước. Khi đạt đến nhiệt độ sôi (bão hòa) tương ứng với áp suất nhất định, bọt khí bắt đầu hình thành. Nếu tiếp tục cung cấp nhiệt, nhiệt độ sẽ không đổi và hơi nước thoát ra khỏi bề mặt nước. Nếu hơi nước được liên tục thoát ra khỏi bình, nhiệt độ sẽ giữ nguyên cho đến khi toàn bộ nước bay hơi hết.
Tại thời điểm này, việc tiếp tục cung cấp nhiệt sẽ làm tăng nhiệt độ của nồi và hơi nước còn lại trong bình. Để duy trì quá trình liên tục, chỉ cần cung cấp nước vào bình một cách điều tiết sao cho bằng lượng hơi thoát ra.
Các yếu tố kỹ thuật và kinh tế chỉ ra rằng cách hiệu quả nhất để sản xuất hơi nước áp suất cao là đun nóng các ống có đường kính nhỏ chứa dòng nước chảy liên tục. Dù nguồn năng lượng là hạt nhân hay nhiên liệu hóa thạch, có hai hệ thống sôi khác biệt được sử dụng: hệ thống có bao hơi (Hình 7a) – nơi phân tách hơi-nước cố định, và hệ thống không có bình chứa (Hình 7b) – gọi là lò hơi trực lưu (OTSG).
Hệ thống phổ biến và dễ kiểm soát nhất là hệ thống có bao hơi. Trong hệ thống này, bình chứa đóng vai trò là điểm phân tách hơi khỏi nước trong toàn bộ dải tải của lò. Nước chưa sôi (dưới nhiệt độ sôi) đi vào ống được cung cấp nhiệt. Khi nước chảy qua ống, nó được đun nóng đến điểm sôi, bọt khí hình thành và hơi ẩm được tạo ra. Trong hầu hết các lò hơi, hỗn hợp hơi-nước rời khỏi ống và đi vào bình chứa hơi, nơi hơi được tách khỏi nước. Phần nước còn lại sau đó được trộn với nước bổ sung và quay trở lại ống được đun nóng.
Đối với hệ thống trực lưu không có bao hơi, nước chưa sôi cũng đi vào ống được cung cấp nhiệt, nhưng nước chảy sẽ chuyển thành hơi ở một điểm nào đó dọc theo đường ống, phụ thuộc vào lưu lượng nước (tải của lò) và tốc độ cung cấp nhiệt. Như minh họa trong Hình 7b, lưu lượng và nhiệt cung cấp được kiểm soát và phối hợp chặt chẽ để toàn bộ nước bay hơi và chỉ có hơi thoát ra khỏi ống. Do đó, không cần bao hơi (điểm phân tách hơi-nước cố định).
2. Tuần hoàn
Đối với cả hai loại hệ thống sôi đã mô tả ở trên, nước phải liên tục đi qua (tuần hoàn qua) các ống để hệ thống có thể sinh hơi liên tục. Đối với lò hơi trực lưu (OTSG), nước chỉ đi qua ống một lần trước khi trở thành hơi và được đưa đến tuabin-phát điện. Tuy nhiên, đối với những lò hơi có điểm phân tách hơi-nước cố định (bao hơi), một phân tử nước có thể tuần hoàn nhiều lần trước khi thoát ra dưới dạng hơi để đi đến tuabin-phát điện. Các phương án tuần hoàn của hệ thống này được thể hiện trong Hình 8.
Hai phương pháp tuần hoàn thường được sử dụng:
- Tuần hoàn tự nhiên (tuần hoàn nhiệt)
- Tuần hoàn cưỡng bức (tuần hoàn có bơm)
Tuần hoàn tự nhiên được minh họa trong Hình 8a. Trong ống xuống (đoạn ống không được gia nhiệt A-B), không có hơi. Khi nhiệt được cung cấp vào đoạn B-C, hỗn hợp hơi-nước được tạo ra. Do hỗn hợp hơi-nước trong đoạn B-C có khối lượng riêng nhỏ hơn nước trong đoạn A-B, trọng lực sẽ khiến nước chảy xuống trong đoạn A-B và đẩy hỗn hợp hơi-nước (B-C) đi lên vào bao hơi. Tốc độ dòng chảy (tuần hoàn) phụ thuộc vào sự chênh lệch khối lượng riêng trung bình giữa nước không được gia nhiệt và hỗn hợp hơi-nước được gia nhiệt.
Tốc độ tuần hoàn tổng thể trong hệ thống tuần hoàn tự nhiên chủ yếu phụ thuộc vào bốn yếu tố:
- Chiều cao của lò hơi: Lò càng cao, chênh lệch áp suất tổng giữa phần được gia nhiệt và không được gia nhiệt càng lớn, do đó có thể tạo ra lưu lượng tổng lớn hơn.
- Áp suất vận hành: Áp suất cao hơn tạo ra hơi có khối lượng riêng lớn hơn và hỗn hợp hơi-nước có khối lượng riêng lớn hơn. Điều này làm giảm chênh lệch trọng lượng giữa các đoạn được gia nhiệt và không được gia nhiệt, có xu hướng làm giảm tốc độ dòng chảy.
- Tốc độ cung cấp nhiệt: Công suất gia nhiệt cao hơn thường làm tăng lượng hơi trong các đoạn được gia nhiệt và giảm khối lượng riêng trung bình của hỗn hợp hơi-nước, từ đó tăng lưu lượng tổng.
- Tiết diện dòng chảy tự do của các thành phần: Tăng tiết diện dòng chảy (tự do) cho nước hoặc hỗn hợp hơi-nước có thể làm tăng tốc độ tuần hoàn.
Đối với mỗi đơn vị hơi được sản xuất, lượng nước đi vào ống có thể thay đổi từ 3 đến 25 đơn vị.
Tuần hoàn cưỡng bức được minh họa trong Hình 8b. Một bơm cơ học được thêm vào vòng tuần hoàn đơn giản và chênh lệch áp suất do bơm tạo ra sẽ kiểm soát tốc độ dòng nước.
Việc phân tách hơi-nước trong bao hơi cần được xem xét cẩn thận. Trong các lò hơi nhỏ, áp suất thấp, việc phân tách hơi-nước có thể dễ dàng thực hiện với một bao hơi lớn chứa khoảng một nửa nước. Quá trình phân tách hơi-nước bằng trọng lực tự nhiên (tương tự như nồi đun) có thể đủ đáp ứng. Tuy nhiên, trong các lò hơi công suất lớn, áp suất cao ngày nay, cần các thiết bị phân tách hơi-nước cơ học để cung cấp hơi khô một cách kinh tế. Với các thiết bị này được lắp đặt trong bao hơi, đường kính và chi phí của bình có thể được giảm đáng kể.
Ở áp suất rất cao, một điểm được gọi là áp suất tới hạn 22.1 MPa sẽ đạt đến, tại đó nước không còn thể hiện hành vi sôi. Khi vượt qua áp suất này, nhiệt độ nước sẽ liên tục tăng khi được cung cấp nhiệt. Lò hơi có thể được thiết kế để hoạt động ở áp suất cao hơn áp suất tới hạn này. Bao hơi và quá trình phân tách hơi-nước không còn cần thiết và lò hơi hoạt động hiệu quả theo nguyên lý trực lưu.
Có nhiều phương pháp thiết kế được sử dụng để đánh giá tốc độ dòng chảy dự kiến cho một thiết kế lò hơi cụ thể và các điều kiện vận hành. Ngoài ra, có một số tiêu chí thiết lập tốc độ dòng chảy tối thiểu cần thiết và chất lượng hơi tối đa cho phép trong các ống riêng lẻ, cũng như tốc độ dòng chảy tối đa cho phép đối với bao hơi.
Nguồn: Steam its generation and use – Babcock & Wilcox
Người dịch: Phạm Đại
NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA SINH HƠI NƯỚC
THÀNH PHẦN VÀ ỨNG DỤNG CỦA LÒ HƠI
TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT HƠI NƯỚC