Các cơ hội tối ưu hóa thu hồi nước ngưng

Phần này tập trung vào lĩnh vực thu hồi nước ngưng, các cơ hội tối ưu hóa và thực hiện cách thức thực hành tốt nhất trong một hệ thống hơi nước công nghiệp.

1.Tổng quan

Sau khi hơi nước đã truyền nhiệt, nó sẽ ngưng tụ thành nước ngưng. Nước ngưng này phải được loại bỏ một cách liên tục để đảm bảo qui trình công nghệ diễn ra liên tục trong nhà máy công nghiệp. Nước ngưng không phải là dòng chất thải mà là dạng tinh khiết nhất của nước (nước cất) trong nhà máy công nghiệp. Nước ngưng có một giá trị kinh tế đáng kể bởi vì:

o Nước ngưng nóng hơn nước xử lý do đó có nhiệt năng đáng kể
o Nước ngưng không cần bất kỳ xử lý nước hóa chất nào
o Nếu được thu lại, nước ngưng không cần phải xả bỏ và dòng nước thải không cần phải làm nguội với bất kỳ giới hạn nhiệt nào của nước thải.

Thông tin chính để xác định một nhà máy công nghiệp đã thực hiện thế nào trong lĩnh vực thu hồi nước ngưng là xác định nước ngưng được thu hồi bao nhiêu về phân xưởng nồi hơi. Lượng nước ngưng có sẵn được tạo thành từ lượng hơi nước được sử dụng trong các quá trình trao đổi nhiệt gián tiếp và tua bin ngưng hơi. Tính toán này thường được trình bày dưới dạng một tỷ lệ giữa lượng nước ngưng thu hồi được trên lượng hơi nước được sản xuất. Tùy thuộc vào nhà máy công nghiệp, đôi khi do có nhiều ống góp hơi, tỷ lệ này cũng được tính toán tại mỗi ống góp và sau đó cho mức toàn thể của nhà máy.

Thu hồi nước ngưng được coi là tốt khi nó vượt quá 80%. Tùy thuộc vào thiết kế nhà máy ban đầu và qui mô nhà máy, thu hồi nước ngưng có thể thấp hơn đáng kể và điều này trở thành một khu vực chính của việc tối ưu hóa hệ thống hơi. Đôi khi các hạn chế của quá trình công nghiệp như khả năng ô nhiễm nước ngưng trong một bộ trao đổi nhiệt có thể quyết định rằng không nên thu hồi nước ngưng nữa. Điều này phải được đánh giá trên cơ sở từng trường hợp cụ thể và sẽ được thảo luận sau trong phần này.

Các bộ phận chính của một hệ thống thu hồi nước ngưng bao gồm:

  • Các bẫy hơi
  • Đường ống và phụ kiện nước ngưng
  • Bình tạo hơi giãn nở
  • Bình chứa
  • Bơm
  • Trạm đẩy nước ngưng lên (Lift stations)
  • Bộ lọc

Bẫy hơi là một phần không thể thiếu của một hệ thống thu hồi nước ngưng. Do đó, chúng sẽ được thảo luận chi tiết ở đây.

2. Bẫy hơi

Bẫy hơi luôn một vấn đề quan tâm lớn trong hoạt động tin cậy/an toàn của hệ thống hơi nước. Chúng thường bị bỏ quên do thiếu kinh nghiệm, kiến thức chuyên môn về bẫy hơi và các hoạt động của chúng của đội ngũ nhân viên bảo dưỡng của nhà máy. Bẫy hơi có một số chức năng hoạt động quan trọng đối với hệ thống hơi nước, nhưng quan trọng nhất là:

  • Trong thời gian khởi động, chúng cho phép số lượng lớn không khí và nước ngưng thoát ra khỏi hệ thống phân phối hơi nước;
  • Trong quá trình hoạt động bình thường, chúng cho phép nước ngưng được thu lại và chuyển vào hệ thống thu hồi nước ngưng, trong khi giảm thiểu hoặc loại trừ tổn thất hơi nước.

Có nhiều loại bẫy hơi khác nhau và do đó, chức năng và nguyên tắc hoạt động phải được tìm hiểu kỹ bởi các kỹ sư thiết kế, đội nhân viên vận hành nhà máy và các nhân viên bảo trì. Tất cả các nhà máy có hệ thống hơi nước công nghiệp nên có một chương trình quản lý bẫy hơi nước hiệu quả. Mặc dù các hư hại của bẫy hơi nước có thể không phải lúc nào cũng dẫn đến tổn thất năng lượng, nhưng chúng hầu như luôn gây ra vấn đề trong vận hành hệ thống và các vấn đề về độ tin cậy. Tạp chất trong hệ thống, kích thước không đúng, và ứng dụng không đúng cách là các nguyên nhân phổ biến nhất của việc hư hại bẫy hơi trong các nhà máy công nghiệp.

Có nhiều loại bẫy hơi cùng với các biến thể và kết hợp giữa chúng. Các bẫy hơi thông dụng nhất (đánh dấu *) được phân loại theo nguyên lý làm việc như sau:

  • Loại nhiệt tĩnh
    • Ống xếp*
    • Lưỡng kim*
  • Loại cơ khí
    • Phao nổi
    • Phao nổi và Đòn bẩy
    • Gầu ngược*
    • Gầu mở
    • Phao nổi và Nhiệt tĩnh*
  • Loại nhiệt động
    • Đĩa*
    • Piston
    • Đòn bẩy
  • Loại tiết lưu
    • Tấm tiết lưu
    • Ống Venturi

2.1. Bẫy hơi loại nhiệt tĩnh

Một bẫy hơi nhiệt tĩnh hoạt động được dựa trên độ chênh nhiệt độ nhất định. Nói chung, một tác động xảy ra khi có giãn nở của một bộ phận bên trong (hoặc uốn) khi nhiệt độ tăng – và co lại (hoặc duỗi thẳng) khi nhiệt độ giảm. Khi thang bẫy hơi nóng lên thì van bẫy hơi đóng lại.

Hình 1.a cho thấy hơi nước vào cái bẫy hơi nước từ phía dưới bên trái. Một bộ phận bên trong  như một ống xếp bịt kín (hoặc một thanh lưỡng kim) sẽ giãn nở (hoặc uốn cong) với sự gia tăng nhiệt độ, do đó tác động đóng bẫy hơi ở vị trí dưới đáy. Sau đó, như thể hiện trong hình 1.b, khi nước ngưng nhiệt độ thấp hơn đi vào bẫy hơi thì cơ cấu sẽ co lại, nâng cao bộ phận đóng kín ở bên dưới, cho phép nước ngưng hoặc hỗn hợp nước ngưng và hơi giãn nở đi ra khỏi bẫy hơi.

Hình 1: Chức năng của bẫy hơi nhiệt tĩnh 

(Tham khảo: Kinh nghiệm thực tiễn tốt nhất cho doanh nghiệp sử dụng hơi cuối – Bộ Năng lượng Hoa Kỳ)

Một điểm vận hành quan trọng liên quan tới bẫy hơi nhiệt tĩnh là ruột bẫy phải nguội đến nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hơi nước bão hòa trước khi bẫy mở ra. Hơi bão hòa và nước ngưng bão hòa có thể tồn tại trong cái bẫy ở tại cùng nhiệt độ. Tại thời điểm này, bẫy hơi có thể không mở ra. Bẫy hơi sẽ chỉ mở sau khi nước ngưng được làm nguội xuống dưới nhiệt độ nhất định. Thông thường, các bẫy sẽ cần độ chênh nhiệt độ 5-20 °C để cho các bẫy hơi mở ra.

2.2. Bẫy hơi loại cơ khí

Các bẫy hơi này làm việc trên nguyên lý sự nổi. Các loại bẫy hơi thông dụng là:

    • Phao nổi và Nhiệt tĩnh (F&T)
    • Gầu ngược

2.2. Bẫy hơi loại Phao nổi và Nhiệt tĩnh (F&T)

Như tên cho thấy, bẫy hơi F&T là kết hợp của hai loại bẫy – phao nổi và nhiệt tĩnh. Phao nổi được bố trí theo cách sao cho nước ngưng vào khoang chứa trong bẫy. Van đầu ra được tác động bởi một cơ cấu nổi và mở ra khi mức nước ngưng tăng lên trong khoang chứa. Loại bẫy hơi này cho phép nước ngưng thoát khỏi hệ thống ngay lập tức sau khi nó hình thành làm cho nó trở thành một lựa chọn tuyệt vời cho các thiết bị trao đổi nhiệt và các ứng dụng khác tại nơi mà không cho phép dồn ứ nước ngưng. Van đóng lại khi mức nước ngưng giảm xuống trong khoang chứa. Hình 2.a thể hiện bẫy ở trạng thái đóng kín và Hình 2.b cho thấy bẫy trong trạng thái mở.

Cần lưu ý rằng chỉ có chất lỏng có thể thoát khỏi bẫy hơi kiểu nổi và cơ cấu không cho phép không khí hoặc khí không ngưng thoát ra. Do đó, trong các ứng dụng công nghiệp, một bẫy hơi nổi luôn được kết hợp với bẫy hơi nhiệt tĩnh. Thành phần nhiệt tĩnh có tác dụng chủ yếu cho quá trình khởi động và dùng để thoát không khí và khí không ngưng. Sự kết hợp này tạo ra bẫy hơi loại F&T.

Hình 2: Chức năng của bẫy hơi kiểu cơ khí F&T

(Tham khảo: Kinh nghiệm thực tiễn tốt nhất cho doanh nghiệp sử dụng hơi cuối – Bộ Năng lượng – Hoa Kỳ)

2.2.2. Bẫy hơi loại gầu đảo

Bẫy hơi kiểu gầu đảo là một loại bẫy hơi cơ khí thông dụng khác làm việc trên nguyên tắc về sự nổi. Một gầu ngược được dùng làm phao nổi. Khi thân bẫy hơi và gầu chứa đầy nước ngưng, gầu bị chìm xuống. Van thoát mở ra và nước ngưng được thoát ra. Cả nước ngưng bão hòa và/hoặc nước ngưng quá lạnh đều có thể thoát ra khỏi loại bẫy hơi này. Sau khi tất cả nước ngưng được lấy ra, hơi nước đi vào cái bẫy phía bên dưới gầu. Nó đẩy gầu lên và làm đóng van xả. Hình 3.a thể hiện loại bẫy hơi kiểu gầu đảo ở vị trí đóng. Hình 3.b thể hiện loại bẫy hơi kiểu gầu đảo ở vị trí mở.

Hình 3: Chức năng của bẫy hơi cơ khí kiểu gầu đảo

(Tham khảo: Kinh nghiệm thực tiễn tốt nhất cho doanh nghiệp sử dụng hơi cuối – Bộ Năng lượng – Hoa Kỳ)

2.3. Bẫy hơi loại nhiệt động

Bẫy nhiệt nhiệt động làm việc trên nguyên lý Bernoulli và chức năng giống hệt với cánh khí động (dạng cánh máy bay). Áp suất tuyệt đối giảm khi vận tốc gia tăng cho một chất có trong một không gian với thể tích xác định. Độ chênh áp suất này có thể làm một cái đĩa tác động đóng một lỗ hở và có chức năng như một cái van. Một loại bẫy hơi nhiệt động có một đĩa kim loại mỏng đặc đặt trong một buồng điều khiển. Nước ngưng đi vào buồng bên dưới đĩa làm đẩy đĩa kim loại lên. Nước ngưng sau đó được thoát thông qua khe hở hình khuyên giữa phần đế của đĩa và thân bẫy hơi. Khi hơi nước bắt đầu chảy, vận tốc của hơi nước qua khe hình khuyên cao so với các nước ngưng tĩnh. Điều này dẫn đến một khu vực áp suất thấp cục bộ, trong khi có áp suất cao ở khu vực phía trên của đĩa kim loại. Điều này làm cho đĩa chìm xuống và đóng bẫy hơi. Hình 4.a thể hiện loại bẫy hơi nhiệt động ở vị trí đóng. Hình 4.b thể hiện loại bẫy hơi nhiệt động ở vị trí mở. Bẫy hơi này có hoạt động liên tục và chúng cũng được sử dụng cho tải nước ngưng nhỏ.

Hình 4: Chức năng của bẫy hơi nhiệt động kiểu đĩa

(Tham khảo: Kinh nghiệm thực tiễn tốt nhất cho doanh nghiệp sử dụng hơi cuối – Bộ Năng lượng – Hoa Kỳ)

2.4. Bẫy hơi loại tiết lưu

Bẫy hơi loại tiết lưu hoạt động theo nguyên tắc hơi và nước ngưng có thể tích riêng rất khác nhau. Bẫy tiết lưu không có bất kỳ bộ phận chuyển động nào nhưng dựa trên một lỗ tiết lưu, một ống ngắn có đường kính nhỏ, hoặc một vòi phun kiểu Venturi, được dùng làm bộ phận làm việc chính. Mật độ của nước ngưng lớn hơn đáng kể mật độ của hơi nước. Thực tế này cho phép một lượng đáng kể nước ngưng đi qua một lỗ rất nhỏ (chẳng hạn một lỗ tiết lưu) và một lượng tối thiểu hơi nước cũng được thoát ra. Khi nước ngưng đi qua lỗ, sụt áp làm cho nước ngưng tạo thành hơi giãn nở. Hơi giãn nở này có tác dụng như một van điều chỉnh đối với dòng bổ sung nước ngưng/hơi nước để đi qua bẫy hơi.

Các bẫy hơi tiết lưu không có bộ phận chuyển động và đây là lợi thế lớn nhất của loại bẫy hơi này so với các bẫy hơi khác. Lợi thế này làm tối thiểu việc bảo trì bẫy hơi. Trong các hệ thống hơi nước công nghiệp không sạch, loại bẫy này có thể trở nên dễ dàng bị tắc bởi các vẩy mài mòn, bụi bẩn, vv. Do đó, phải định kỳ làm sạch chúng.

Việc xác định đúng kích cỡ bẫy hơi tiết lưu là rất quan trọng. Nếu bẫy có kích thước lớn hơn mức cần thiết thì một lượng đáng kể hơi nước sẽ bị mất vào hệ thống ngưng tụ. Nếu bẫy có kích thước nhỏ hơn mức cần thiết thì nước ngưng sẽ dồn ứ trong hệ thống. Các bẫy này cũng làm việc tốt nhất khi tải hơi liên tục và ổn định. Tải hơi gián đoạn và có chu kỳ có thể tạo ra các vấn đề vận hành liên quan đến thông hơi hoặc dồn ứ nước ngưng. Hình 5.a cho thấy bẫy hơi nhiệt động trong trạng thái hoạt động bình thường. Hình 5.b cho thấy bẫy hơi nhiệt động trong trạng thái  mở (hơi nước bị rò rỉ).

Hình 5: Chức năng của bẫy hơi tiết lưu

(Tham khảo: Kinh nghiệm thực tiễn tốt nhất cho doanh nghiệp sử dụng hơi cuối – Bộ Năng lượng – Hoa Kỳ)

3. Các cơ hội tối ưu hoá tận dụng nước ngưng và cách thức vận hành tối ưu

Tối ưu hóa tận dụng nước ngưng và các thiết bị ngoại vi liên quan trong các nhà máy công nghiệp có thể tập trung vào nhiều lĩnh vực khác nhau. Đây là những lĩnh vực cơ bản trong lĩnh vực quản lý năng lượng và nhìn chung cho kết quả hấp dẫn về kinh tế khi cơ hội tiết kiệm được nhận dạng. Các lĩnh vực này cũng rất cần thiết để vận hành hệ thống hơi một cách hiệu quả và đáng tin cậy.

Có một số cơ hội tối ưu hóa trong lĩnh vực tận dụng nước ngưng như sau:

  • Thực hiện một chương trình quản lý và bảo trì bẫy hơi nước hiệu quả
  • Tận dụng nước ngưng có sẵn càng nhiều càng tốt
  • Tận dụng nước ngưng ở năng lượng nhiệt cao nhất có thể
  • Cho giãn nở nước ngưng áp suất cao để tạo ra hơi nước áp suất thấp

3.1. Thực hiện một chương trình quản lý và bảo trì bẫy hơi nước hiệu quả

Việc có một chương trình bảo trì và quản lý bẫy hơi nước hiệu quả trong một nhà máy công nghiệp là cực kỳ quan trọng. Có thể có hàng trăm bẫy hơi trong các nhà máy lớn và toàn thể số bẫy hơi này cần được kiểm tra định kỳ nhằm đảm bảo chúng luôn hoạt động tốt. Cần thiết phải kiểm tra tất cả các bẫy hơi tại nhà máy và thực hiện ít nhất mỗi năm một lần. Có nhiều loại bẫy hơi khác nhau hoạt động dựa trên nguyên tắc khác nhau. Để điều tra các bẫy hơi quan trọng là phải hiểu cách thức hoạt động của từng loại. Do đó, các kiểm tra cần được thực hiện bởi các nhân viên được đào tạo, hiểu được hoạt động của bẫy hơi và hệ thống hơi nước nói chung. Chức năng hoạt động của bẫy hơi nước nên được đánh giá thông qua việc sử dụng các công cụ thích hợp như cảm biến siêu âm và nhiệt kế.

Bẫy hơi có thể ở trong 2 chế độ chính mà có ảnh hưởng đáng kể đến kinh tế và/hoặc hoạt động:

  • Mở bị lỗi
  • Đóng bị lỗi

Một bẫy hơi bị lỗi mở sẽ cho phép hơi mới đi qua để vào hệ thống thu hồi nước ngưng, tức là bị rò rỉ hơi. Một cái bẫy bị lỗi mở sẽ không cho thoát nước ngưng tụ và làm dồn ứ nước ngưng trong thiết bị. Nếu đây là một bộ trao đổi nhiệt của quá trình công nghệ, thì quá trình sản xuất sẽ bị giới hạn tải nhiệt. Nếu bẫy hơi này làm việc cho một ống góp hơi nước, nó có thể gây ra thuỷ kích và làm hư hại các bộ phận. Ngay cả một hệ thống hơi nước được bảo trì tốt thì vẫn có khoảng 10% số bẫy hơi hư hỏng trong một năm. Nếu không được kiểm soát, điều này có thể gây ra tổn thất kinh tế đáng kể và các vấn đề hoạt động của hệ thống.

Kết quả đánh giá phải được lưu trữ thành một cơ sở dữ liệu bao gồm các kết quả đánh giá bẫy hơi như:

  • Tốt và làm việc đúngo Lỗi mở và rò rỉ hơi nước
  • Lỗi mở và xả vào môi trường xung quanh
  • Lỗi đóng

Việc ước tính tổn thất hơi nước cho mỗi bẫy hơi bị rò rỉ nên được thực hiện trong đánh giá. Một phương pháp tốt để tính tổn thất hơi nước tối đa thông qua một cái bẫy bị lỗi là thực hiện tính toán tiết lưu (xem phương trình Napier). Đây là tổn thất hơi nước tối đa cho một cái bẫy cụ thể. Xuất hiện một bất định vì nó không rõ ràng nếu có vật cản nội bộ đối với dòng chảy này. Tuy nhiên, một ước tính tổn thất hơi nước thường là đủ để cho phép xác định ưu tiên sửa chữa.

Có một vài phương pháp và kỹ thuật trong công nghiệp để điều tra đặc tính bẫy hơi, chẳng hạn:

  • Quan sát bằng mắt
  • Âm thanh
  • Nhiệt
  • Theo dõi trực tuyến thời gian thực

Hầu hết các trường hợp, việc sử dụng một phương pháp có thể không cung cấp một câu trả lời  thích hợp để đánh giá hoạt động đúng đắn của bẫy hơi. Do đó, cần phải kết hợp các phương pháp trên. Ngoài ra, bởi khi kiểm tra bẫy hơi, điều kiện tiên quyết là người kiểm tra phải được đào tạo và có hiểu biết tốt về hoạt động của bẫy hơi, cho nên việc sử dụng dịch vụ bên ngoài cho hoạt động này là điều nên làm. Hầu hết các nhà sản xuất và các nhà cung cấp bẫy hơi sẽ cung cấp một dịch vụ kiểm toán bẫy hơi miễn phí hoặc phí tối thiểu cho các nhà máy công nghiệp.

Duy trì một cơ sở dữ liệu bẫy hơi là hoàn toàn cần thiết cho một chương trình quản lý hiệu quả bẫy hơi nước. Cơ sở dữ liệu này, ở mức tối thiểu, nên bao gồm như sau:

  • Số thẻ bẫy hơi
  • Địa điểm
  • Loại bẫy hơi
  • Số model
  • Nhà sản xuất
  • Ngày gần nhất khi bẫy hơi được kiểm tra đặc tính
  • Ngày khi bẫy hơi được lắp đặt (hoặc lắp đặt lại sau khi hư hại)
  • Nguyên nhân của cái bẫy hơi bị hư hại
  • Tên của người đã lắp đặt hoặc thay thế bẫy hơi hỏng
  • Khả năng thiệt hại kinh tế nếu bẫy hơi không mở
  • Khả năng gây ra các vấn đề cho sản xuất nếu bẫy hơi bị lỗi mở
  • Khả năng gây ra các vấn đề cho sản xuất nếu bẫy hơi bị lỗi đóng
  • Dấu hiệu chỉ báo của bẫy hơi lỗi mở
  • Dấu hiệu chỉ báo của bẫy hơi lỗi đóng

Từ khi thực hiện một đánh giá bẫy hơi chi tiết tại một nhà máy công nghiệp, rất khó khăn để định lượng các lợi ích của chương trình quản lý bẫy hơi nước. Tuy nhiên, theo lịch sử và số liệu thống kê đã chứng minh rằng khi bẫy hơi hỏng và không thay thế hoặc sửa chữa, chúng có thể là một nguồn lãng phí năng lượng đáng kể, là nguyên nhân gây sự cố sản xuất và ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống.

Công cụ của SSAT cung cấp một ước tính mức tiềm năng tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm chi phí bằng cách thực hiện một chương trình bảo trì và quản lý hiệu quả các bẫy hơi nước. Điều này được dựa trên tỷ lệ số bẫy hơi hư hỏng trong lịch sử, số bẫy trong nhà máy và thời gian cuối cùng của việc đánh giá bẫy hơi theo sau là sửa chữa và/hoặc thay thế các bẫy được tiến hành trong nhà máy.

3.2. Tận dụng nước ngưng có sẵn càng nhiều càng tốt

Nước ngưng được tạo ra sau khi hơi nước đã truyền nhiệt của nó và ngưng tụ thành nước. Có một lượng nhiệt năng đáng kể vẫn còn lại trong nước ngưng. Mỗi đơn vị nước ngưng được thu hồi có nghĩa là giảm đi một đơn vị nước cần phải xử lý độ cứng. Do đó, thu hồi thêm nước ngưng sẽ:

  • Giảm năng lượng cần thiết trong bộ khử khí
  • Giảm lượng nước cấp cần phải xử lý
  • Giảm hoá chất xử lý nước
  • Giảm lượng nước xả xuống cống rãnh
  • Có thể làm giảm xả lò.

Tối ưu hóa tận dụng nước ngưng bắt đầu bằng cách đánh giá mức/lượng hiện tại của nước ngưng được thu hồi. Nước ngưng thu hồi nên được đánh giá tại các ống góp khác nhau. Trong các nhà máy công nghiệp lớn có hệ thống phân phối hơi rộng lớn và thiết bị sử dụng cuối hơi nước, thu hồi nước ngưng phụ thuộc vào các yếu tố sau:

  • Mức độ ô nhiễm
  • Chi phí cho thiết bị thu hồi
  • Chi phí của đường ống nước ngưng

Các công nghệ thương mại hoá hiện tại cho phép theo dõi mức độ chất ô nhiễm trong nước ngưng theo thời gian thực. Những công nghệ này đã được thực hiện rất thành công trong các nhà máy công nghiệp cho phép thu hồi nước ngưng từ tất cả các nơi có thể, bao gồm cả những khu vực có thể có khả năng ô nhiễm nước ngưng. Chức năng vận hành của chúng dựa trên việc theo dõi nồng độ chất gây ô nhiễm nhất định hoặc độ dẫn điện của nước ngưng, và một khi các mức độ này vượt quá mức cho phép thì một van mở ra để xả bỏ nước ngưng xuống cống và đồng thời đóng đường hồi về nhà lò hơi. Mọi tình huống cần phải được đánh giá dựa trên đặc điểm và ứng dụng riêng. Đôi khi có thể không hiệu quả về chi phí khi thu hồi một lượng nhỏ nước ngưng và có nguy cơ cao về ô nhiễm hệ thống nước cấp lò hơi.

Chi phí thiết bị và đường ống thu hồi nước ngưng phụ thuộc vào vị trí vật lý của các thiết bị tiêu thụ hơi nước so với nhà lò hơi và khoảng cách mà nước ngưng được nối ống để đưa về nhà lò hơi. Ngoài ra, các thiết kế cũng phải xem xét phương án dùng bơm điện để bơm nước ngưng về hay sử dụng áp lực hơi nước và trạm đẩy nước ngưng.

Bình chứa nước ngưng có thể dùng như là một điểm thu gom nước ngưng cục bộ và do đó giúp giảm chi phí dự án trong việc bơm nước ngưng về từ mỗi hộ sử dụng hơi cuối. Ngoài ra, bình chứa nước ngưng và bình giãn nở hơi làm giảm lượng hơi nước đi vào đường ống thu hồi nước ngưng và giảm nhẹ giới hạn lưu lượng trong đường thu hồi. Nó cũng sẽ giúp loại bỏ hiện tượng thuỷ kích trong các hệ thống thu hồi nước ngưng.

Lượng nước ngưng thu hồi có thể thu được bằng nhiều cách khác nhau, bao gồm:

  • Lưu lượng hơi nước
  • Kích thước bẫy hơi
  • Cân bằng năng lượng và cân bằng khối lượng trên bộ trao đổi nhiệt trong quá trình sử dụng cuối cùng
  • Các điều kiện thiết kế
  • Thùng chứa và đồng hồ bấm giờ

Ví dụ

Một thiết bị sử dụng hơi nước trong nhà máy được dùng để gia nhiệt dòng môi chất. Nước ngưng được xả chung xuống cống. Một phương pháp sử dụng thùng chứa và đồng hồ bấm giờ chỉ ra rằng lưu lượng nước ngưng là 50 lít/phút. Hãy ước tính lượng tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm chi phí liên quan đến việc thu thập và đưa nước ngưng trở về nhà lò hơi từ thiết bị sử dụng hơi cuối cùng. Nước ngưng hiện tại được thu thập ở những nơi khác trong nhà máy và đưa trở lại lò hơi ở nhiệt độ 70°C.

Xây dựng một hệ thống thu hồi nước ngưng yêu cầu một bể chứa nước ngưng với một van thông hơi ra môi trường để thu hồi tất cả nước ngưng. Sau đó nó sẽ được bơm về phân xưởng nồi hơi như được hiển thị trong hình 6. Giả sử rằng nhiệt độ nước ngưng thu hồi tại lò hơi cũng là 70°C tương tự như nước ngưng khác cũng  được thu hồi trong nhà máy.

Hình 6: Hệ thống thu hồi nước ngưng

(Tham khảo: Kinh nghiệm thực tiễn tốt nhất cho doanh nghiệp sử dụng hơi cuối – Bộ Năng lượng – Hoa Kỳ)

Lưu lượng khối lượng nước ngưng thu hồi được tính toán như sau:

Trong đó Vcondensate là lưu lượng thể tích và ρcondensate là mật độ nước ngưng tại nhiệt độ bão hoà.

Lượng nhiệt năng trong nước ngưng so sánh với nước cấp xử lý hoá học được tính như sau:

Trong đó hcondensate là enthalpy của nước ngưng (293.1 Btu/lb) tại 70°C và hmakeup là enthalpy của nước cấp xử lý hoá học (83.9 Btu/lb) tại 20°C. Các giá trị này thu được từ bảng hơi nước.

Trong một hệ thống hơi nước công nghiệp, nước đã xử lý hoá chất được gia nhiệt bằng hơi nước trong bộ khử khí. Điều này có nghĩa rằng lượng tiết kiệm nhiên liệu thực tế liên quan chặt chẽ với hiệu quả làm việc của nồi hơi. Do đó, lượng tiết kiệm nhiên liệu và tiết kiệm chi phí từ việc thu hồi nước ngưng, trên quan điểm hệ thống được tính như sau:

Tính toán thu hồi nước ngưng thực hiện ở trên cung cấp một biện pháp tính toán rất chính xác về cơ hội tối ưu hóa. Tuy nhiên, thu hồi nước ngưng ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống và thường được khuyến nghị nên sử dụng một mô hình hệ thống hơi nước chi tiết để đánh giá các tác động thật sự của thu hồi nước ngưng. Chi phí về nước (bao gồm cả xử lý hóa chất) có thể chiếm một phần lớn của lượng tiết kiệm chi phí và không nên bỏ qua.

3.3. Tận dụng nước ngưng ở nhiệt độ cao nhất có thể

Rõ ràng là nhiệt độ nước ngưng thu hồi cao hơn sẽ yêu cầu gia nhiệt ít hơn tại bình khử khí. Điều này chuyển trực tiếp thành tiết kiệm hơi và tiết kiệm chi phí năng lượng. Cơ hội tối ưu hóa này có thể được đánh giá theo cách tương tự như được giải thích và minh họa trong các cơ hội nêu trên. Tuy nhiên việc thu thập và đưa nước ngưng nhiệt độ cao trở về phân xưởng lò hơi phải cẩn thận để không xảy ra các vấn đề về vận hành. Mối quan tâm lớn nhất là vấn đề hoá hơi ở áp suất thấp (flashing) có thể xảy ra trong các đường thu hồi nước ngưng. Vấn đề có thể trở nên lớn hơn trong hệ thống kiểu cấu trúc tầng, trong đó nước ngưng từ các điểm khác nhau được trộn lẫn và có sự khác biệt nhiệt độ lớn giữa các đường thu hồi nước ngưng.

Chiến lược tối ưu hóa hệ thống hơi đánh giá xem chi phí bổ sung hệ thống thu hồi nước ngưng nhiệt độ cao chuyên dụng so sánh với hệ thống có một bể thu hồi nước nguưg và bình giãn nở để lấy lượng nhiệt này. Tùy thuộc vào lượng nước ngưng, năng lượng nhiệt này có thể là đáng kể và mọi nỗ lực cần được thực hiện để thu được nước ngưng và đưa trả lại nhà nồi hơi với nhiệt năng cao nhất có thể.

3.4. Cho giãn nở nước ngưng áp suất cao để tạo ra hơi nước áp suất thấp

Trong các nhà máy công nghiệp sử dụng hơi nước ở các mức khác nhau, cơ hội tối ưu hóa này có thể tác động đáng kể đến chi phí và năng lượng vận hành. Như đã đề cập trước đó, nước ngưng chứa nhiều nhiệt năng và nếu nó ở áp suất cao hơn, nó có thể được thu thập và hoá hơi để tạo ra hơi nước áp suất thấp. Tùy thuộc vào vị trí và độ gần với các ống góp hơi hoặc thiết bị sử dụng hơi, hơi nước áp suất thấp này bù đắp trực tiếp cho lượng hơi mới (do lò hơi tạo ra) trên ống góp áp suất thấp.

Cơ hội tối ưu hóa rõ ràng sẽ cần một mô hình hơi nước nhiệt động lực học tốt để đánh giá tác động kinh tế thực sự và công cụ SSMT của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ sẽ cung cấp phương tiện để xác định cơ hội này. Hình 7 sau cung cấp một sơ đồ đơn giản cân bằng hệ thống hơi nước công nghiệp trong công cụ SSMT để minh họa cho tác động của việc hoá hơi.

Hình 7: Hoá hơi nước ngưng áp suất cao để tạo ra hơi nước áp suất thấp

(Ban quản lý dự án – trích từ “Hướng dẫn tối ưu hóa hệ thống hơi công nghiệp” của Dự án hiệu quả năng lượng trong công nghiệp của Tổ chức Phát triển công nghiệp Liên hợp quốc – UNIDO)