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

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
ThS. Phạm Anh Hải
Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin
Biên tập: TS. Lưu văn Thực
Tóm tắt:
Bài báo đề cập việc xây dựng mô hình hệ thống mô phỏng số nhằm đánh giá phân tích và chuẩn
đoán sớm các các nguyên nhân dẫn đến sự cố khi vận hành lò với chất lượng nhiên liệu than (đặc
tính nhiên liệu than), đặc tính cơ lý của tro bay, xỉ và chế độ khí động (khói – gió),…giúp các nhà
máy nhiệt điện thuộc Tập đoàn TKV vận hành ổn định, giảm chi phí sửa chữa, chi phí khởi động lại
lò và tiết kiệm năng lượng.
1. Đặt vấn đề
Việc phân tích, đánh giá và hiểu rõ chuyển
động của dòng chảy hay biến thiên các thuộc
tính như nhiệt độ, áp suất, vận tốc...của các vật
thể chuyển động trong môi trường chất lưu là
rất quan trọng trong việc tính toán, thiết kế tối
ưu các sản phẩm để mang lại hiệu quả nhất.
Các thuộc tính của dòng chất lưu có thể nhận
được từ kết quả thực nghiệm hay lời giải các
hệ phương trình toán học, tuy nhiên hai phương
pháp trên chỉ áp dụng được trong các bài toán
đơn giản, đối với các bài toán phức tạp thì gặp
rất nhiều khó khăn. Khi sử dụng phương pháp
tính toán động lực học chất lưu có thể giải quyết
được các bài toán phức tạp, việc phân tích, tính
toán trở nên đơn giản và nhanh chóng hơn và

các kết quả nhận được có độ chính xác cao
hơn.
Hiện nay, phương pháp tính toán động lực
học chất lưu là lĩnh vực đã được phát triển mạnh
mẽ ở một số nước trên thế giới như Mỹ, Nga,
Đức... ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong
các lĩnh vực cơ học môi trường chất lưu (khí,
lỏng, plasma,..). Vai trò của phương pháp tính
toán động lực học chất lưu trong dự báo kĩ thuật
công nghiệp đã trở nên mạnh đến mức ngày
nay nó có thể được nhìn nhận như “hướng thứ
ba” trong động lực học lưu chất, hai hướng khác
là những trường hợp cổ điển của thực nghiệm
thuần túy và lý thuyết thuần túy. Từ năm 1687,
với sự công bố Principia của Isaac Newton cho

54

tới giữa những năm 1960, những tiến bộ về
cơ lưu chất được thực hiện bằng cách kết hợp
với các thực nghiệm tiên phong và phân tích lý
thuyết cơ bản- những phân tích mà hầu như
luôn yêu cầu sử dụng những mô hình dòng đơn
giản để nhận được lời giải dạng khép kín của
các phương trình chủ đạo.
Ở nước ta hiện nay phương pháp tính toán
động lực học chất lưu là lĩnh vực còn khá mới
mẻ, chưa có nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này.
Chỉ có một số những công trình nghiên cứu về
nâng cao hiệu quả đốt nhiên liệu vận hành lò hơi

như: Nghiên cứu quá trình cháy nhiên liệu xấu
trong các NMNĐ ở Việt nam, đề tài cấp Bộ B9828-27, PGS.TSKH Nguyễn Sĩ Mão, (2000). Đề
tài đã nghiên cứu quá trình cháy nhiên liệu xấu
trong các nhà máy nhiệt điện ở Việt Nam nhằm
nâng cao hiệu quả vận hành lò, với các chế độ
vận hành lò. Đề tài “Nghiên cứu công nghệ đốt
than trộn của than khó cháy với than nhập khẩu
dễ cháy nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên
liệu tại các nhà máy nhiệt điện đốt than ở Việt
Nam”, Chương trình KH&CN trọng điểm cấp
Nhà nước KC.05.25/11-15), PGS.TS Trương
Duy Nghĩa, (2015). Đề tài đã nghiên cứu trộn
loại than á bitum của Indonesia với than antraxit
của Việt Nam nhằm giảm chỉ tiêu xấu của than
nội địa (như giảm lượng tro), từ đó cải thiện quá
trình cháy, tăng hiệu suất cháy và giảm lượng
than tiêu thụ. Các đề tài mới chỉ nghiên cứu các
nội dung nhằm nâng cao hiệu quả cháy và giảm

KHCNM SỐ 5/2019 * SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TIẾT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ


THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ

Hình 1. Mẫu ống sinh hơi và bê tông chịu lửa trong
buồng lửa lò hơi

lượng than đốt với các chế độ vận hành nhưng
chưa đề cấp đến những công cụ, phương pháp
nhằm tính toán và chuẩn đoán sớm các sự cố

mòn đường ống sinh hơi khi thay đổi chế độ vận
hành lò hơi với những loại nhiên liệu than có
đặc tính công nghệ khác nhau.
2. Hiện trạng hệ thống đường ống sinh
hơi tại các nhà máy nhiệt điện công nghệ
tầng sôi tuần hoàn thuộc TKV
Theo quy hoạch điện VII điều chỉnh, nhiệt
điện than vẫn là hạng mục chiếm tỷ trọng cao
trong cơ cấu sản xuất điện, chiếm 55% vào
năm 2030 và công suất phát điện từ nhiệt điện
tăng nhanh từ 26.000 MW (năm 2020) lên đến
55.300 MW (năm 2030). Bên cạnh đó, đến năm
2030 thì lượng than thiếu hụt cho sản xuất điện
là 83 triệu tấn và phải bù đắp bằng than nhập
khẩu. Trong đó, nhiệt điện đốt than đã và đang
đóng vai trò chủ đạo trong nguồn cung cấp điện
quốc gia, đảm bảo an ninh năng lượng và sự
phát triển kinh tế hiện nay.
Theo đánh giá, hiệu quả của quá trình cháy
trong buồng đốt lò hơi phụ thuộc vào nhiều yếu
tố như đặc tính nhiên liệu, phân cấp tỷ lệ không
khí sơ cấp, không khí thứ cấp, kích thước hạt
than,…. Bất kỳ một sự thay đổi nào trong các
yếu tố trên cũng đều gây ảnh hưởng đến đặc
tính của quá trình cháy cũng như gây ra các sự
cố dẫn đến phải dừng lò hơi.
Giai đoạn năm 2011 - 2016, trung bình một
năm các nhà máy nhiệt điện phải dừng lò để
sửa chữa buồng lửa từ 5 - 11 lần do bục dàn
ống sinh hơi. Nguyên nhân chủ yếu được xác

định do sự mài mòn dàn ống sinh hơi do sự ma
sát giữa dòng vật chất với thành ống. Do vậy,
ảnh hưởng rất nhiều đến kế hoạch sản xuất điện
năng cũng như chi phí vận hành, chi phí sửa

(a)

(b)
Hình 2. (a) Xử lý ống bị bục – (b) Dàn ống sinh hơi
của lò hơi

chữa, doanh thu của các nhà máy nhiệt điện.
Một số đơn vị cũng đã áp dụng những giải
pháp như điều chỉnh các tham số vận hành lò
hơi (chế độ khói - gió), cải tạo nâng cao cốt cửa
gió cấp hai giúp cháy kiệt than, cải tạo diện tích
cửa gió cấp 1 (sàn ghi),…với chi phí vận hành
sửa chữa là rất lớn. Tuy nhiên, đó mới chỉ là một
phương án vận hành ứng với một loại đặc tính
than cấp (độ tro, cỡ hạt, nhiệt trị,…) mà không
tính toán hết được những trường hợp có sự
thay đổi của đặc tính than.
3. Giải pháp đề xuất sử dụng phần mềm
mô phỏng ANSYS ACADEMIC RESEARCH
CFD
Những lời giải dạng khép kín có lợi thế nổi
bật là đồng nhất ngay lập tức một vài tham số
cơ bản của bài toán đã cho và thể hiện rõ câu trả
lời cho những bài toán bị ảnh hưởng bởi sự biến
đổi các tham số như thế nào. Tuy nhiên, chúng

có bất lợi là không đưa ra được mọi quá trình
vật lý cần thiết của dòng. Với khả năng kiểm

KHCNM SỐ 5/2019 * SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TIẾT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ

55


THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
soát các phương trình chủ đạo ở dạng chính
xác cùng với việc xem xét các hiện tượng vật
lý chi tiết như phản ứng hóa học ở mức độ hạn
chế. Phương pháp tính toán động lực học chất
lưu nhanh chóng trở thành một phương pháp
phổ biến trong phân tích kỹ nghệ. Quan điểm
của các nhà nghiên cứu, phương pháp tính toán
động lực học chất lưu sẽ vẫn được coi là hướng
thứ ba trong động lực lưu chất, có dáng vóc và
tầm quan trọng như nhau đối với thực nghiệm
và lý thuyết. Nó có một vị trí cố định trong tất
cả các khía cạnh của động lực học lưu chất, từ
nghiên cứu cơ bản đến thiết kế kỹ nghệ.
Với sự phát triển của các phương pháp mô

Hình 3. Mô phỏng số trường nhiệt độ buồng đốt
lò hơi với các tham số đầu vào

phỏng số trong những năm trở lại đây đã và
đang áp dụng trên thế giới. Việc nghiên cứu sử
dụng phương pháp tính toán động lực học chất

lưu xây dựng phần mềm ANSYS ACADEMIC
RESEARCH CFD với những khả năng mô hình
hóa một cách rộng rãi các đặc tính vật lý cho
mô hình dòng chảy chất lưu, rối, trao đổi nhiệt
và phản ứng được áp dụng trong công nghiệp.
Để lời giải bài toán nhanh hội tụ, cần xác
định các điều kiện biên như: Miền buồng đốt,
kích thước chiều cao, chiều rộng, chiều sâu của
lò, số lượng nậm gió cấp 1, vị trí và bố trí cửa
gió cấp 2, các thành phần công nghệ của than,
lượng tiêu hao than, tổng lượng gió thực, tỷ lệ
gió cấp I, II, nhiệt độ gió cấp I, II, ... và lựa chọn
mô hình dòng phản ứng, mô hình cháy phù hợp
trong buồng đốt lò hơi. Các phương trình cơ
bản như phương trình liên tục, phương trình

56

động lượng, phương trình năng lượng, phương
trình rối, phương trình phản ứng hóa học được
rời rạc hóa bằng phương pháp thể tích hữu
hạn. Thuật toán coupled biểu diễn sự tương
quan áp suất - vận tốc, mô hình chuyển động
rối k-epsilon Realiable, mô hình bức xạ Discrete
Ordinate Method (DOM) và mô hình dòng phản
ứng cho pha khí Eddy Dissipation được sử
dụng trong tất cả các trường hợp mô phỏng. Tất
cả mô hình đều ở trạng thái tĩnh và bỏ qua sự
ảnh hưởng bởi trọng lực. Sự chuyển động của
các hạt than được tính toán theo công thức

Lagangian,...Quy trình giải bài toán cơ bản gồm
các bước như dưới đây:
- Chạy chương trình với khoảng 300 vòng lặp
cho dòng không phản ứng.
- Khởi tạo cho bài toán dòng phản ứng bằng
cách đường dẫn nhiệt độ cao cho vùng phản
ứng và chạy 1 bước lặp để khởi tạo ngọn lửa.
- Chạy chương trình với khoảng 500 vòng lặp
cho dòng phản ứng.
- Kích hoạt mô hình bức xạ Discrete Ordinates
và chạy chương trình với trên 500 bước lặp.
- Kích hoạt sự tương tác bức xạ giữa các hạt
và giải bài toán đến khi hội tụ từ 3.000 - 4.000
bước lặp.
Kết quả thu được phân tích chi tiết các vị trí
có nguy cơ gây ảnh hưởng đến các khu vực
dàn ống sinh hơi bị mài mòn từ đó có thể đưa
ra được những biện pháp điều chỉnh cần thiết
nhằm giảm thiểu sự cố. Một số giải pháp có
thể triển khai thực hiện như: Điều chỉnh chế độ
khói - gió cho lò hơi phù hợp qua các tham số
điều khiển, đối với những vị trí có nguy cơ bục
đường ống cần được kiểm tra kỹ trong những
đợt bảo dưỡng sửa chữa lớn, đắp thêm lớp xi
măng cách nhiệt,...
4. Kết Luận
Để đảm bảo sự làm việc ổn định, tin cậy lâu
dài, giảm tối đa chi phí đầu tư cải tạo thiết bị
công nghệ đốt, nâng cao hiệu quả vận hành nhà
máy nhiệt điện, giảm thiểu hiện trạng dừng lò và

đảm bảo tính liên tục trong sản xuất điện năng.
Việc nghiên cứu xác định mòn dàn ống sinh hơi
nhằm dự báo nguy cơ bục đường ống để nâng
cao hiệu quả vận hành lò hơi qua xây dựng mô
hình hệ thống mô phỏng số nhằm đánh giá phân
tích và chuẩn đoán sớm các các nguyên nhân
dẫn đến sự cố khi vận hành lò với chất lượng

KHCNM SỐ 5/2019 * SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TIẾT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ


THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ

nhiên liệu than (đặc tính nhiên liệu than), đặc
tính cơ lý của tro bay, xỉ và chế độ khí động (khói
– gió),…giúp các nhà máy nhiệt điện thuộc Tập
đoàn TKV vận hành ổn định, giảm chi phí sửa
chữa, chi phí khởi động lại lò và tiết kiệm năng
lượng.
Tài liệu tham khảo:
1. ThS. Vũ Thế Nam và nnk (2014), Báo cáo
tổng kết nhiệm vụ cấp Bộ Công Thương. Hỗ trợ
các nhà máy nhiệt điện công nghệ tầng sôi tuần
hoàn CFB trong tập đoàn than khoáng sản Việt
Nam nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất điện, tiết

kiệm nhiên liệu đầu vào, Viện Khoa học Công
nghệ Mỏ - Vinacomin.
2. PGS.TS. Nguyễn Việt Hùng - PGS.TS.
Nguyễn Trọng Giảng (2003), ANSYS & và mô

phỏng số trong công nghiệp bằng phần tử hữu
hạn, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật.
3. TS. Lê Đức Dũng và nnc (2016), Nghiên
cứu quá trình cháy bột than và nâng cao hiệu
quả đốt than trộn trong các lò hơi đốt than phun
trên mô hình mô phỏng. Hội thảo về kỹ thuật
năng lượng, Phom Penh, Cambodia.

Study on solutions to determine the worn steam tube through
Ansys Academic Research CFD simulation software to predict the risk
of broken pipelines to improve boiler operation efficiency
MSc. Pham Anh Hai, Vinacomin – Institute of Mining Science and Technology
Abstract:
The article mentions the establishment of numerical simulation system model to evaluate, analyze
and early diagnose causes of problems when the boilder is operated with coal fuel quality (coal fuel
characteristics), physic-mechanical properties of fly ash, slag and aerodynamic mode (smoke - wind)
etc., to provide advices to the thermal power plants of Vinacomin in stable operation, reduction of
repair costs, restart-up costs of the boiler and energy saving.

KHCNM SỐ 5/2019 * SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TIẾT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ

57