THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ<br />
<br />
<br />
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH MÒN DÀN ỐNG SINH HƠI QUA<br />
PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ANSYS ACADEMIC RESEARCH CFD NHẰM<br />
DỰ BÁO NGUY CƠ BỤC ĐƯỜNG ỐNG ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ<br />
VẬN HÀNH LÒ HƠI<br />
<br />
ThS. Phạm Anh Hải<br />
Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin<br />
Biên tập: TS. Lưu văn Thực<br />
Tóm tắt:<br />
Bài báo đề cập việc xây dựng mô hình hệ thống mô phỏng số nhằm đánh giá phân tích và chuẩn<br />
đoán sớm các các nguyên nhân dẫn đến sự cố khi vận hành lò với chất lượng nhiên liệu than (đặc<br />
tính nhiên liệu than), đặc tính cơ lý của tro bay, xỉ và chế độ khí động (khói – gió),…giúp các nhà<br />
máy nhiệt điện thuộc Tập đoàn TKV vận hành ổn định, giảm chi phí sửa chữa, chi phí khởi động lại<br />
lò và tiết kiệm năng lượng.<br />
1. Đặt vấn đề tới giữa những năm 1960, những tiến bộ về<br />
Việc phân tích, đánh giá và hiểu rõ chuyển cơ lưu chất được thực hiện bằng cách kết hợp<br />
động của dòng chảy hay biến thiên các thuộc với các thực nghiệm tiên phong và phân tích lý<br />
tính như nhiệt độ, áp suất, vận tốc...của các vật thuyết cơ bản- những phân tích mà hầu như<br />
thể chuyển động trong môi trường chất lưu là luôn yêu cầu sử dụng những mô hình dòng đơn<br />
rất quan trọng trong việc tính toán, thiết kế tối giản để nhận được lời giải dạng khép kín của<br />
ưu các sản phẩm để mang lại hiệu quả nhất. các phương trình chủ đạo.<br />
Các thuộc tính của dòng chất lưu có thể nhận Ở nước ta hiện nay phương pháp tính toán<br />
được từ kết quả thực nghiệm hay lời giải các động lực học chất lưu là lĩnh vực còn khá mới<br />
hệ phương trình toán học, tuy nhiên hai phương mẻ, chưa có nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này.<br />
pháp trên chỉ áp dụng được trong các bài toán Chỉ có một số những công trình nghiên cứu về<br />
đơn giản, đối với các bài toán phức tạp thì gặp nâng cao hiệu quả đốt nhiên liệu vận hành lò hơi<br />
rất nhiều khó khăn. Khi sử dụng phương pháp như: Nghiên cứu quá trình cháy nhiên liệu xấu<br />
tính toán động lực học chất lưu có thể giải quyết trong các NMNĐ ở Việt nam, đề tài cấp Bộ B98-<br />
được các bài toán phức tạp, việc phân tích, tính 28-27, PGS.TSKH Nguyễn Sĩ Mão, (2000). Đề<br />
toán trở nên đơn giản và nhanh chóng hơn và tài đã nghiên cứu quá trình cháy nhiên liệu xấu<br />
các kết quả nhận được có độ chính xác cao trong các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam nhằm<br />
hơn. nâng cao hiệu quả vận hành lò, với các chế độ<br />
Hiện nay, phương pháp tính toán động lực vận hành lò. Đề tài “Nghiên cứu công nghệ đốt<br />
học chất lưu là lĩnh vực đã được phát triển mạnh than trộn của than khó cháy với than nhập khẩu<br />
mẽ ở một số nước trên thế giới như Mỹ, Nga, dễ cháy nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên<br />
Đức... ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong liệu tại các nhà máy nhiệt điện đốt than ở Việt<br />
các lĩnh vực cơ học môi trường chất lưu (khí, Nam”, Chương trình KH&CN trọng điểm cấp<br />
lỏng, plasma,..). Vai trò của phương pháp tính Nhà nước KC.05.25/11-15), PGS.TS Trương<br />
toán động lực học chất lưu trong dự báo kĩ thuật Duy Nghĩa, (2015). Đề tài đã nghiên cứu trộn<br />
công nghiệp đã trở nên mạnh đến mức ngày loại than á bitum của Indonesia với than antraxit<br />
nay nó có thể được nhìn nhận như “hướng thứ của Việt Nam nhằm giảm chỉ tiêu xấu của than<br />
ba” trong động lực học lưu chất, hai hướng khác nội địa (như giảm lượng tro), từ đó cải thiện quá<br />
là những trường hợp cổ điển của thực nghiệm trình cháy, tăng hiệu suất cháy và giảm lượng<br />
thuần túy và lý thuyết thuần túy. Từ năm 1687, than tiêu thụ. Các đề tài mới chỉ nghiên cứu các<br />
với sự công bố Principia của Isaac Newton cho nội dung nhằm nâng cao hiệu quả cháy và giảm<br />
<br />
<br />
54 KHCNM SỐ 5/2019 * SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TIẾT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ<br />
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 1. Mẫu ống sinh hơi và bê tông chịu lửa trong<br />
buồng lửa lò hơi<br />
lượng than đốt với các chế độ vận hành nhưng (a)<br />
chưa đề cấp đến những công cụ, phương pháp<br />
nhằm tính toán và chuẩn đoán sớm các sự cố<br />
mòn đường ống sinh hơi khi thay đổi chế độ vận<br />
hành lò hơi với những loại nhiên liệu than có<br />
đặc tính công nghệ khác nhau.<br />
2. Hiện trạng hệ thống đường ống sinh<br />
hơi tại các nhà máy nhiệt điện công nghệ<br />
tầng sôi tuần hoàn thuộc TKV<br />
Theo quy hoạch điện VII điều chỉnh, nhiệt<br />
điện than vẫn là hạng mục chiếm tỷ trọng cao<br />
trong cơ cấu sản xuất điện, chiếm 55% vào<br />
năm 2030 và công suất phát điện từ nhiệt điện<br />
tăng nhanh từ 26.000 MW (năm 2020) lên đến (b)<br />
55.300 MW (năm 2030). Bên cạnh đó, đến năm<br />
Hình 2. (a) Xử lý ống bị bục – (b) Dàn ống sinh hơi<br />
2030 thì lượng than thiếu hụt cho sản xuất điện của lò hơi<br />
là 83 triệu tấn và phải bù đắp bằng than nhập<br />
khẩu. Trong đó, nhiệt điện đốt than đã và đang chữa, doanh thu của các nhà máy nhiệt điện.<br />
đóng vai trò chủ đạo trong nguồn cung cấp điện Một số đơn vị cũng đã áp dụng những giải<br />
quốc gia, đảm bảo an ninh năng lượng và sự pháp như điều chỉnh các tham số vận hành lò<br />
phát triển kinh tế hiện nay. hơi (chế độ khói - gió), cải tạo nâng cao cốt cửa<br />
Theo đánh giá, hiệu quả của quá trình cháy gió cấp hai giúp cháy kiệt than, cải tạo diện tích<br />
trong buồng đốt lò hơi phụ thuộc vào nhiều yếu cửa gió cấp 1 (sàn ghi),…với chi phí vận hành<br />
tố như đặc tính nhiên liệu, phân cấp tỷ lệ không sửa chữa là rất lớn. Tuy nhiên, đó mới chỉ là một<br />
khí sơ cấp, không khí thứ cấp, kích thước hạt phương án vận hành ứng với một loại đặc tính<br />
than,…. Bất kỳ một sự thay đổi nào trong các than cấp (độ tro, cỡ hạt, nhiệt trị,…) mà không<br />
yếu tố trên cũng đều gây ảnh hưởng đến đặc tính toán hết được những trường hợp có sự<br />
tính của quá trình cháy cũng như gây ra các sự thay đổi của đặc tính than.<br />
cố dẫn đến phải dừng lò hơi. 3. Giải pháp đề xuất sử dụng phần mềm<br />
Giai đoạn năm 2011 - 2016, trung bình một mô phỏng ANSYS ACADEMIC RESEARCH<br />
năm các nhà máy nhiệt điện phải dừng lò để CFD<br />
sửa chữa buồng lửa từ 5 - 11 lần do bục dàn Những lời giải dạng khép kín có lợi thế nổi<br />
ống sinh hơi. Nguyên nhân chủ yếu được xác bật là đồng nhất ngay lập tức một vài tham số<br />
định do sự mài mòn dàn ống sinh hơi do sự ma cơ bản của bài toán đã cho và thể hiện rõ câu trả<br />
sát giữa dòng vật chất với thành ống. Do vậy, lời cho những bài toán bị ảnh hưởng bởi sự biến<br />
ảnh hưởng rất nhiều đến kế hoạch sản xuất điện đổi các tham số như thế nào. Tuy nhiên, chúng<br />
năng cũng như chi phí vận hành, chi phí sửa có bất lợi là không đưa ra được mọi quá trình<br />
vật lý cần thiết của dòng. Với khả năng kiểm<br />
<br />
KHCNM SỐ 5/2019 * SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TIẾT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ 55<br />
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ<br />
<br />
<br />
soát các phương trình chủ đạo ở dạng chính động lượng, phương trình năng lượng, phương<br />
xác cùng với việc xem xét các hiện tượng vật trình rối, phương trình phản ứng hóa học được<br />
lý chi tiết như phản ứng hóa học ở mức độ hạn rời rạc hóa bằng phương pháp thể tích hữu<br />
chế. Phương pháp tính toán động lực học chất hạn. Thuật toán coupled biểu diễn sự tương<br />
lưu nhanh chóng trở thành một phương pháp quan áp suất - vận tốc, mô hình chuyển động<br />
phổ biến trong phân tích kỹ nghệ. Quan điểm rối k-epsilon Realiable, mô hình bức xạ Discrete<br />
của các nhà nghiên cứu, phương pháp tính toán Ordinate Method (DOM) và mô hình dòng phản<br />
động lực học chất lưu sẽ vẫn được coi là hướng ứng cho pha khí Eddy Dissipation được sử<br />
thứ ba trong động lực lưu chất, có dáng vóc và dụng trong tất cả các trường hợp mô phỏng. Tất<br />
tầm quan trọng như nhau đối với thực nghiệm cả mô hình đều ở trạng thái tĩnh và bỏ qua sự<br />
và lý thuyết. Nó có một vị trí cố định trong tất ảnh hưởng bởi trọng lực. Sự chuyển động của<br />
cả các khía cạnh của động lực học lưu chất, từ các hạt than được tính toán theo công thức<br />
nghiên cứu cơ bản đến thiết kế kỹ nghệ. Lagangian,...Quy trình giải bài toán cơ bản gồm<br />
Với sự phát triển của các phương pháp mô các bước như dưới đây:<br />
- Chạy chương trình với khoảng 300 vòng lặp<br />
cho dòng không phản ứng.<br />
- Khởi tạo cho bài toán dòng phản ứng bằng<br />
cách đường dẫn nhiệt độ cao cho vùng phản<br />
ứng và chạy 1 bước lặp để khởi tạo ngọn lửa.<br />
- Chạy chương trình với khoảng 500 vòng lặp<br />
cho dòng phản ứng.<br />
- Kích hoạt mô hình bức xạ Discrete Ordinates<br />
và chạy chương trình với trên 500 bước lặp.<br />
- Kích hoạt sự tương tác bức xạ giữa các hạt<br />
và giải bài toán đến khi hội tụ từ 3.000 - 4.000<br />
bước lặp.<br />
Kết quả thu được phân tích chi tiết các vị trí<br />
có nguy cơ gây ảnh hưởng đến các khu vực<br />
dàn ống sinh hơi bị mài mòn từ đó có thể đưa<br />
Hình 3. Mô phỏng số trường nhiệt độ buồng đốt ra được những biện pháp điều chỉnh cần thiết<br />
lò hơi với các tham số đầu vào nhằm giảm thiểu sự cố. Một số giải pháp có<br />
phỏng số trong những năm trở lại đây đã và thể triển khai thực hiện như: Điều chỉnh chế độ<br />
đang áp dụng trên thế giới. Việc nghiên cứu sử khói - gió cho lò hơi phù hợp qua các tham số<br />
dụng phương pháp tính toán động lực học chất điều khiển, đối với những vị trí có nguy cơ bục<br />
lưu xây dựng phần mềm ANSYS ACADEMIC đường ống cần được kiểm tra kỹ trong những<br />
RESEARCH CFD với những khả năng mô hình đợt bảo dưỡng sửa chữa lớn, đắp thêm lớp xi<br />
hóa một cách rộng rãi các đặc tính vật lý cho măng cách nhiệt,...<br />
mô hình dòng chảy chất lưu, rối, trao đổi nhiệt 4. Kết Luận<br />
và phản ứng được áp dụng trong công nghiệp. Để đảm bảo sự làm việc ổn định, tin cậy lâu<br />
Để lời giải bài toán nhanh hội tụ, cần xác dài, giảm tối đa chi phí đầu tư cải tạo thiết bị <br />
định các điều kiện biên như: Miền buồng đốt, công nghệ đốt, nâng cao hiệu quả vận hành nhà<br />
kích thước chiều cao, chiều rộng, chiều sâu của máy nhiệt điện, giảm thiểu hiện trạng dừng lò và<br />
lò, số lượng nậm gió cấp 1, vị trí và bố trí cửa đảm bảo tính liên tục trong sản xuất điện năng.<br />
gió cấp 2, các thành phần công nghệ của than, Việc nghiên cứu xác định mòn dàn ống sinh hơi<br />
lượng tiêu hao than, tổng lượng gió thực, tỷ lệ nhằm dự báo nguy cơ bục đường ống để nâng<br />
gió cấp I, II, nhiệt độ gió cấp I, II, ... và lựa chọn cao hiệu quả vận hành lò hơi qua xây dựng mô<br />
mô hình dòng phản ứng, mô hình cháy phù hợp hình hệ thống mô phỏng số nhằm đánh giá phân<br />
trong buồng đốt lò hơi. Các phương trình cơ tích và chuẩn đoán sớm các các nguyên nhân<br />
bản như phương trình liên tục, phương trình dẫn đến sự cố khi vận hành lò với chất lượng<br />
<br />
<br />
56 KHCNM SỐ 5/2019 * SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TIẾT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ<br />
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ<br />
<br />
<br />
nhiên liệu than (đặc tính nhiên liệu than), đặc kiệm nhiên liệu đầu vào, Viện Khoa học Công<br />
tính cơ lý của tro bay, xỉ và chế độ khí động (khói nghệ Mỏ - Vinacomin.<br />
– gió),…giúp các nhà máy nhiệt điện thuộc Tập 2. PGS.TS. Nguyễn Việt Hùng - PGS.TS.<br />
đoàn TKV vận hành ổn định, giảm chi phí sửa Nguyễn Trọng Giảng (2003), ANSYS & và mô<br />
chữa, chi phí khởi động lại lò và tiết kiệm năng phỏng số trong công nghiệp bằng phần tử hữu<br />
lượng. hạn, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.<br />
Tài liệu tham khảo: 3. TS. Lê Đức Dũng và nnc (2016), Nghiên<br />
1. ThS. Vũ Thế Nam và nnk (2014), Báo cáo cứu quá trình cháy bột than và nâng cao hiệu<br />
tổng kết nhiệm vụ cấp Bộ Công Thương. Hỗ trợ quả đốt than trộn trong các lò hơi đốt than phun<br />
các nhà máy nhiệt điện công nghệ tầng sôi tuần trên mô hình mô phỏng. Hội thảo về kỹ thuật<br />
hoàn CFB trong tập đoàn than khoáng sản Việt năng lượng, Phom Penh, Cambodia.<br />
Nam nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất điện, tiết<br />
<br />
<br />
Study on solutions to determine the worn steam tube through<br />
Ansys Academic Research CFD simulation software to predict the risk<br />
of broken pipelines to improve boiler operation efficiency<br />
MSc. Pham Anh Hai, Vinacomin – Institute of Mining Science and Technology<br />
<br />
Abstract:<br />
The article mentions the establishment of numerical simulation system model to evaluate, analyze<br />
and early diagnose causes of problems when the boilder is operated with coal fuel quality (coal fuel<br />
characteristics), physic-mechanical properties of fly ash, slag and aerodynamic mode (smoke - wind)<br />
etc., to provide advices to the thermal power plants of Vinacomin in stable operation, reduction of<br />
repair costs, restart-up costs of the boiler and energy saving.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
KHCNM SỐ 5/2019 * SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TIẾT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ 57<br />