Giảm Thiểu Phân Bố Dòng Chảy Không Đồng Đều Trong Bộ Ngưng Tụ Hơi Nước Bằng Phần Mềm HTRI và CFD

Giới thiệu

Trong các nhà máy nhiệt điện, bộ ngưng tụ hơi nước (Steam Surface Condenser) có nhiệm vụ ngưng tụ hơi nước thải ra từ turbine thành nước lỏng để tuần hoàn lại lò hơi. Hiệu suất của bộ ngưng tụ ảnh hưởng công suất và hiệu suất tổng thể của nhà máy điện.

Một công ty EPC đã gặp phải vấn đề với một bộ ngưng tụ kiểu vỏ chữ X (X-shell condenser) trong một dự án nhà máy điện. Vấn đề chính là phân bố dòng chảy không đồng đều (shellside flow maldistribution) của hơi nước bên trong vỏ bộ ngưng tụ. Khi dòng hơi không được phân bố đều qua các bó ống, một số vùng có thể bị "ngập" hơi hoặc ngược lại, không được tận dụng hiệu quả, dẫn đến:

• Giảm hiệu suất truyền nhiệt: Các vùng có ít dòng chảy hơi hơn sẽ không ngưng tụ hiệu quả, làm giảm khả năng làm mát.
• Tăng sụt áp: Dòng chảy không đều có thể tạo ra sụt áp cục bộ cao, ảnh hưởng đến của turbine.
• Tiềm ẩn hư hỏng cấu trúc: Phân bố vận tốc không đều có thể gây ra rung động ống hoặc xói mòn cục bộ.

Mục tiêu

• Xác định các sửa đổi thiết kế hình học tối ưu để giảm thiểu phân bố dòng chảy không đồng đều và tiềm năng hư hỏng cấu trúc.
• Đánh giá tiềm năng của sự phân bố dòng chảy không đồng đều trong bộ ngưng tụ X-shell đã sửa đổi.
• Xác định phân bố dòng hơi bên trên bó ống của vỏ  trước khi ngưng tụ.
• Định lượng sự đồng nhất của dòng chảy qua 12 rãnh cắt ngang (crosspasses) của bộ trao đổi nhiệt của khách hàng.
• Đánh giá tác động của việc thêm các số lượng và kích cỡ vòi phun khác nhau, cũng như tấm phân phối.

Phương pháp tiếp cận và Ứng dụng HTRI

HTRI đã được yêu cầu thực hiện các phương pháp để giảm thiểu sự phân bố dòng chảy không đồng đều này. Họ đã sử dụng kết hợp hai công cụ mạnh mẽ:

1.    HTRI Xist®: Đây là module chuyên dụng của HTRI Xchanger Suite dành cho bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống. Xist được dùng để: 

o    Thực hiện các tính toán rating (đánh giá hiệu suất) ban đầu của bộ ngưng tụ.

o    Cung cấp dữ liệu sụt áp qua bó ống để hiệu chỉnh mô hình CFD. Các tính toán sụt áp của Xist đã được sử dụng để thay thế các môi trường xốp (porous media) trong các mô phỏng CFD, giúp giảm nỗ lực tính toán mà vẫn duy trì độ chính xác cao.

2.    Mô phỏng Động lực học Chất lỏng Tính toán (CFD): HTRI đã phát triển các mô hình CFD chi tiết dựa trên phân tích từ Xist. CFD là công cụ lý tưởng để trực quan hóa và phân tích dòng chảy phức tạp 3D bên trong vỏ bộ ngưng tụ. Các mô hình CFD đã giúp: 

o    Xác định phân bố vận tốc không đồng đều trong bộ ngưng tụ X-shell ban đầu.

o    Thử nghiệm các sửa đổi thiết kế khác nhau.

Các bước thực hiện:

•    Phân tích mô hình baseline: HTRI đã mô hình hóa một nửa đối xứng của bộ trao đổi nhiệt dọc theo mặt cắt dọc, đường kính qua mặt cắt vỏ X để giảm nỗ lực tính toán.

•    Xác định các vùng có vấn đề: Từ mô phỏng CFD của hình học và điều kiện cơ sở, HTRI xác định rằng các rãnh cắt ngang trung tâm của vỏ X có lưu lượng gấp đôi so với các rãnh khác. Dòng chảy đi vào từ một vòi phun duy nhất ở trên cùng và thoát ra ở phía dưới, tạo ra sự phân bố vận tốc không đều khi dòng chảy đi qua các tấm chắn (baffles) qua bộ trao đổi nhiệt.

•    Thử nghiệm các giải pháp: HTRI đã mô phỏng các thay đổi về thiết kế vòi phun và thêm tấm phân phối để cải thiện sự đồng đều của dòng chảy.

Phân bố vận tốc không đều trong bộ ngưng tụ ban đầu khi dòng chảy đi qua các vách ngăn trên bộ trao đổi nhiệt. Dòng chảy đi vào từ một vòi phun duy nhất ở phía trên và thoát ra ở phía dưới. Các đường ngang trung tâm có lưu lượng gấp đôi so với các đường ngang khác.

Kết quả sau khi áp dụng hai phần mềm của HTRI

Kết quả từ phân tích của HTRI đã cung cấp thông tin quan trọng để sửa đổi thiết kế cơ khí của các vòi phun và tấm phân phối.

Cải thiện phân bố dòng chảy: Các sửa đổi đề xuất đã giúp phân phối dòng hơi đồng đều hơn qua các bó ống, đảm bảo rằng tất cả các bề mặt truyền nhiệt được sử dụng hiệu quả.
Giảm thiểu rủi ro: Bằng cách dự đoán và kiểm soát sự phân bố vận tốc, rủi ro xói mòn và rung động ống đã được giảm đáng kể, nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của bộ ngưng tụ.
Tối ưu hóa hiệu suất: Dòng chảy đồng đều hơn dẫn đến hiệu suất ngưng tụ được cải thiện, góp phần duy trì chân không tối ưu cho turbine, từ đó nâng cao công suất và hiệu suất nhiệt của nhà máy điện.
Tiết kiệm chi phí: Tránh được các sự cố vận hành và bảo trì không mong muốn, cũng như tối ưu hóa hiệu suất năng lượng, giúp tiết kiệm chi phí vận hành đáng kể.

Cùng một bộ ngưng tụ với hai vòi phun đầu vào. Như minh họa, sự phân phối dòng chảy được cải thiện nhờ có thêm một tấm phân phối dọc theo toàn bộ chiều dài bó.

Kết luận

Nghiên cứu điển hình này minh chứng rõ ràng vai trò quan trọng của phần mềm HTRI Xist® (kết hợp với CFD) trong việc phân tích và tối ưu hóa các bộ trao đổi nhiệt quan trọng như bộ ngưng tụ hơi trong nhà máy nhiệt điện. Bằng cách cung cấp cái nhìn sâu sắc về các hiện tượng phức tạp như phân bố dòng chảy, HTRI giúp các kỹ sư đưa ra quyết định thiết kế sáng suốt, khắc phục sự cố, và cuối cùng là nâng cao hiệu suất, độ tin cậy cũng như hiệu quả kinh tế của nhà máy điện. Đây là một ví dụ điển hình về cách công nghệ mô phỏng tiên tiến của HTRI đóng góp vào hoạt động tối ưu của ngành công nghiệp năng lượng.

Để biết thêm thông tin chi tiết và đặt hàng, xin vui lòng liên hệ:

• Trung tâm giải pháp phần mềm và thiết bị công nghệ (STC)- Công ty CP Công nghệ và Tư vấn CIC
• Hotline: 024 397 41373 & 0976 268 036