Hiệu suất năng lượng của nồi hơi

Hiệu suất năng lượng của nồi hơi có thể hiểu một cách đơn giản là tỷ lệ giữa năng lượng hữu ích để sinh hơi (năng lượng đầu ra) và năng lượng do nhiên liệu cung cấp cho nồi hơi (năng lượng đầu vào). Như vậy, để sản sinh một lượng hơi như nhau, nồi hơi có hiệu suất càng cao thì lượng nhiên liệu tiêu hao càng thấp.

Tuy nhiên, khi đầu tư trang bị nồi hơi, không ít doanh nghiệp lại chú ý quá nhiều đến giá thành thiết bị mà chưa thực sự quan tâm đến hiệu quả kinh tế dài hạn từ việc tiết kiệm nhiên liệu khi sử dụng. Thực tế chỉ ra rằng, trong vòng đời của một nồi hơi công nghiệp, chi phí cho nhiên liệu cao hơn gấp nhiều lần so với chi phí đầu tư ban đầu.

Ta hãy xem xét một ví dụ sau đây:

– Một nồi hơi đốt than công suất 10 tấn/giờ, hiệu suất 75% có chi phí đầu tư khoảng 5 tỷ đồng.

– Nồi hơi vận hành 24 giờ mỗi ngày, 330 ngày trong 1 năm, mỗi giờ tiêu thụ 1,45 tấn than (với than cám 4a – nhiệt trị thấp theo mẫu làm việc là 24570 kJ/kg), lượng than tiêu thụ hàng năm là:

1.45 tấn/giờ *24 giờ/ngày * 330 ngày/năm = 11.484 tấn/năm.

– Với mức giá than cám 4a: 2.500.000 VND/tấn, thì chi phí cho nhiên liệu trong 1 năm là:

11.484 tấn/năm * 2.500.000 VND/tấn =28.710.000.000 VND/năm

(gấp khoảng 5,75 lần giá trị đầu tư)

– Giả sử vòng đời nồi hơi là 15 năm, tiêu thụ nhiên liệu khoảng 430 tỷ (gấp 86 lần giá trị đầu tư ban đầu).

– Nếu cải thiện được hiệu suất nồi hơi tăng thêm 3% (từ 75% lên 78%), thì chỉ trong 1 năm đã tiết kiệm được hơn 1 tỷ đồng chi phí cho nhiên liệu.

Vậy làm thế nào để xác định chính xác và kiểm soát được hiệu suất năng lượng của nồi hơi trong suốt quá trình vận hành? Có 2 phương pháp để xác định hiệu suất nồi hơi: phương pháp trực tiếp và phương pháp gián tiếp.

1. Xác định hiệu suất bằng phương pháp trực tiếp:

Phương pháp này còn được gọi là phương pháp cân bằng thuận, hoặc phương pháp “Đầu vào – Đầu ra”. Đây là một phương pháp khá hữu dụng để xác định và kiểm chứng hiệu suất nồi hơi ngay từ khi mới được lắp đặt và đưa vào vận hành.

Cần lưu ý rằng, hầu hết các nhà sản xuất nồi hơi đều công bố hiệu suất như một chỉ tiêu chất lượng của hàng hóa, nhưng không chỉ rõ phương pháp xác định, vì thế  chỉ tiêu này khó được kiểm chứng. Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8630:2010 quy định chi tiết về phương pháp thử nghiệm để xác định hiệu suất nồi hơi bằng phương pháp thuận. Cụ thể hiệu suất nồi hơi (sản xuất hơi bão hòa) được xác định như sau:

Trong đó:

– Q^lv_t là nhiệt trị thấp trung bình của nhiên liệu, kJ/kg;

– D_  là tổng lượng hơi mà nồi hơi sản xuất ra trong thời gian thử nghiệm, kg;

– B_ là tổng lượng nhiên liệu tiêu thụ trong thời gian thử nghiệm, kg;

– h_nc là entanpi nước cấp, theo nhiệt độ nước cấp trung bình và áp suất trong nồi hơi, kJ/kg;

– h_h là entanpi của hơi bão hòa, kJ/kg.

Nhiệt trị thấp của nhiên liệu Q^lv_t được xác định theo kết quả thử nghiệm mẫu làm việc nhiên liệu. Entanpi của nước cấp h_nc và hơi h_h có thể tra theo bảng đặc tính của nước và hơi (Bảng A.1 trong Phụ lục A của Tiêu chuẩn TCVN 8630:2010).

Từ các dữ liệu đã thu thập được có thể dễ dàng xác định được hiệu suất năng lượng của nồi hơi và so sánh với hiệu suất do nhà chế tạo nồi hơi công bố. Cũng bằng phương pháp này có thể kiểm tra chỉ tiêu về suất tiêu hao nhiên liệu của nồi hơi khi vận hành thực tế. Tuy nhiên, phương pháp này có một số nhược điểm như: có thể cho sai số lớn, đòi hỏi thời gian thử nghiệm đủ dài (đặc biệt là đối với nhiên liệu rắn), không đưa ra thông tin đầy đủ để xác định các biện pháp cải thiệt hiệu suất.

2. Xác định hiệu suất bằng phương pháp gián tiếp:

Phương pháp này còn được gọi là phương pháp cân bằng nghịch hoặc phương pháp “Tổn thất nhiệt”. Phương pháp gián tiếp thường được sử dụng để đánh giá và kiểm soát hiệu suất của nồi hơi trong quá trình vận hành, đồng thời cho phép người sử dụng xác định được các cơ hội để cải thiện hiệu suất.

Xác định hiệu suất nồi hơi bằng phương pháp gián tiếp như sau:

Các tổn thất chủ yếu được xem xét là:

1. 1. Tổn thất nhiệt do khói thải l_{khói thải} (%)

Đây thường là tổn thất lớn nhất, phản ánh lượng năng lượng bị mang đi theo khói thải mà nhiên liệu không truyền tải được cho nồi hơi để sinh hơi. Nhiệt độ khói thải càng thấp thì hiệu suất trao đổi nhiệt càng cao. Tổn thất này được xác định thông qua việc đo nhiệt độ khói thải, nhiệt độ môi trường, hàm lượng ô xy dư trong khói thải bằng các thiết bị đo chuyên dụng. Từ các dữ liệu thu thập được, có thể căn cứ vào các Bảng tổn thất năng lượng đã được lập sẵn như các ví dụ tham khảo dưới đây, để tra tổn thất.

Bảng 1. Tổn thất khói thải đối với Than Bituminous (Độ ẩm – 10%; Độ tro – 15%)

Bảng 2. Tổn thất khói thải đối với nhiên liệu gỗ/củi

Bảng 3. Tổn thất khói thải đối với nhiên liệu dầu FO

(Nguồn: Riyaz Papar, Greg Harrell. TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG HƠI – Tài liệu tham khảo cho các chuyên gia và nhân viên kỹ thuật doanh nghiệp công nghiệp. Dự án hiệu quả năng lượng trong công nghiệp của UNIDO)

2. Tổn thất nhiệt qua vỏ lò l_{vỏ lò} (%)

Đây là tổn thất năng lượng ra môi trường qua vỏ lò và lớp bảo ôn bằng trao đổi nhiệt bức xạ và đối lưu. Tổn thất này có thể được tính toán thông qua việc đo nhiệt độ bề mặt vỏ lò, diện tích vỏ lò tiếp xúc với môi trường, sử dụng công thức tính trao đổi nhiệt. Tuy nhiên, để đơn giản hóa, có thể tra gần đúng theo bảng dưới đây:

Bảng 4. Tổn thất qua vỏ lò

(Nguồn: Riyaz Papar, Greg Harrell. TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG HƠI – Tài liệu tham khảo cho các chuyên gia và nhân viên kỹ thuật doanh nghiệp công nghiệp. Dự án hiệu quả năng lượng trong công nghiệp của UNIDO)

3. Tổn thất nhiệt do xả lò l_{xả lò} (%)

Đây là tổn thất năng lượng do nước lò mang đi qua hoạt động xả lò (liên tục hoặc gián đoạn) nhằm loại bỏ các tạp chất trong nước lò có thể gây hại đến hoạt động và tuổi thọ của nồi hơi. Tổn thất này có thể được tính toán thông qua tỷ lệ xả lò. Cụ thể tính toán theo các bước như sau:

a, Bước 1: Xác định tỷ lệ xả lò:

Trong đó:

– Độ dẫn điện nước cấp đo thực tế (µS/cm) bằng dụng cụ đo tổng chất rắn hòa tan (TDS);

– Độ dẫn điện nước lò được xác định đối với từng loại nồi hơi và áp suất làm việc. Thông thường đối với nồi hơi công nghiệp, độ dẫn điện yêu cầu trong khoảng 5000 – 7000 µS/cm;

b, Bước 2: Xác định mức lưu lượng xả lò (kg/h):

Trong đó:

– m_hơi là lưu lượng hơi định mức của nồi hơi, kg/h.

c, Bước 3: Xác định tỷ lệ tổn thất xả lò (%):

Trong đó:

– h_{nước lò} và h_{nước cấp} là entanpi của nước lò và nước cấp (kJ/kg), tra theo bảng đặc tính nước và hơi;

– m_{nhiên liệu} là lượng nhiên liệu tiêu thụ của nồi hơi (kg/h);

– HHV_{nhiên liệu} là nhiệt trị cao của nhiên liệu sử dụng (kJ/kg).

Lưu ý rằng, việc điều chỉnh tỷ lệ xả lò cần phải được tính toán và thực hiện theo yêu cầu thực tế để duy trì chất lượng nước lò, mà không nên định sẵn tần xuất xả một cách máy móc, dẫn đến gây tổn thất không đáng có (nếu xả quá nhiều), hoặc không duy trì chất lượng nước lò (nếu xả quá ít).

4. Các tổn thất khác l_khác (%)

Các tổn thất khác có thể bao gồm: tổn thất do cháy không hoàn toàn, tổn thất do xỉ mang đi, v.v. Tuy nhiên để xác định chính xác các tổn thất này cần thêm các dụng cụ đo và các thí nghiệm phức tạp. Thông thường khi xác định hiệu suất của các nồi hơi công nghiêp, người ta có thể bỏ qua các tổn thất khác.

Vậy, hiệu suất nồi hơi xác định theo phương pháp gián tiếp như sau:

 h = 100 – l_{khói thải} – l_{vỏ lò} – l_{xả lò} – l_khác

Ưu điểm chính của phương pháp này là giúp người quản lý vận hành nồi hơi xác định được những tổn thất nào đã bị thay đổi trong quá trình vận hành để có hướng khắc phục kịp thời nhằm duy trì và cải thiện hiệu suất của nồi hơi.

Tóm lại, sử dụng nồi hơi hiệu suất cao là cách tối ưu để tiết kiệm năng lượng. Vì vậy khi lập kế hoạch đầu tư, cần đặc biệt quan tâm đến hiệu suất hoặc suất tiêu hao nhiên liệu của nồi hơi, thay vì ưu tiên lựa chọn thiết bị giá rẻ mà hiệu suất thấp.  Luôn nhớ rằng chi phí ban đầu chỉ là một khoản nhỏ trong toàn bộ chi phí vòng đời của một nồi hơi. Bên cạnh đó trong quá trình sử dụng cần quan tâm đến việc thường xuyên đo đạc và đánh giá hiệu suất hoạt động của nồi hơi. Việc ghi chép và theo dõi thường xuyên số liệu đo đạc để đánh giá nhiệu suất là một công tác rất quan trọng, giúp người quản lý tìm được các cơ hội cải tiến để nồi hơi được vận hành và sử dụng hiệu quả nhất.

Tác giả: TS. Nguyễn Quyết Thắng