Nghiên cứu giải pháp xác định mòn dàn ống sinh hơi qua phần mềm mô phỏng ansys academic research CFD nhằm dự báo nguy cơ bục đường ống để nâng cao hiệu quả vận hành lò hơi

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 />