Áp lực và áp suất trong lò hơi công nghiệp

Đi kèm với hiệu suất lớn của lò hơi là nguy cơ mất an toàn nghiêm trọng nếu áp lực và áp suất trong lò hơi không được kiểm soát chặt chẽ. Thực tế đã cho thấy, phần lớn các sự cố nổ lò hơi đều bắt nguồn từ việc áp suất vượt quá giới hạn cho phép hoặc thiết bị chịu áp lực bị suy yếu.

Chính vì vậy, để hiểu và vận hành lò hơi an toàn, trước hết cần nắm vững bản chất của áp lực và áp suất trong môi trường lò hơi công nghiệp.

Khái niệm áp lực và áp suất trong lò hơi công nghiệp

Trước khi đi sâu vào ứng dụng, ta cần làm rõ các khái niệm cơ bản trong bối cảnh lò hơi.

Áp lực trong lò hơi là lực do hơi nước hoặc nước nóng tác dụng vuông góc lên thành lò, ống dẫn, van và các bề mặt tiếp xúc khác. Áp lực này sinh ra do sự chuyển động và va chạm liên tục của các phân tử hơi nước ở nhiệt độ cao.

Trong khi đó, áp suất là đại lượng vật lý đặc trưng cho mức độ tác dụng của áp lực trên một đơn vị diện tích, được xác định theo công thức:

Áp suất = Áp lực / Diện tích chịu lực

Trong lò hơi công nghiệp, áp suất thường được đo bằng các đơn vị như bar, MPa hoặc atm, và có thể đạt giá trị rất lớn, tùy theo loại lò và mục đích sử dụng.

Khi áp suất tăng, áp lực tác dụng lên thành lò cũng tăng theo, đòi hỏi vật liệu chế tạo lò phải có độ bền cơ học cao và khả năng chịu nhiệt tốt.

Áp lực và áp suất trong lò hơi

Sự hình thành áp suất trong lò hơi công nghiệp

Để hiểu rõ nguy cơ và tầm quan trọng của áp suất, cần xem xét cách nó được tạo ra trong lò hơi.

Trong quá trình hoạt động, nước được đun nóng bằng nhiên liệu (than, dầu, khí, sinh khối hoặc điện). Khi đạt đến nhiệt độ sôi, nước chuyển sang trạng thái hơi. Hơi nước chiếm thể tích lớn hơn rất nhiều so với nước lỏng, nhưng lại bị giới hạn trong không gian kín của lò.

Chính sự giãn nở này đã tạo ra áp suất cao bên trong lò hơi. Nếu nhiệt lượng tiếp tục được cung cấp mà hơi không được xả ra kịp thời, áp suất sẽ tăng nhanh và có thể vượt ngưỡng an toàn.

Điều này cho thấy: áp suất trong lò hơi không phải là hằng số, mà biến đổi liên tục theo nhiệt độ, lượng nước, lưu lượng hơi và chế độ vận hành.

Áp lực tác dụng lên các bộ phận của lò hơi công nghiệp

Áp suất cao trong lò hơi tạo ra áp lực lớn lên nhiều bộ phận khác nhau, trong đó quan trọng nhất gồm:

Áp lực tác dụng lên thân lò và thành lò

Thân lò và thành lò là bộ phận chịu áp lực tổng hợp lớn nhất, do phải trực tiếp tiếp xúc với nước nóng và hơi nước áp suất cao trong suốt quá trình vận hành. Áp suất bên trong lò tạo ra áp lực ép đều lên toàn bộ bề mặt thành lò theo mọi hướng.

Khi áp suất tăng, lực ép lên thành lò tăng tỷ lệ thuận, khiến vật liệu thành lò luôn trong trạng thái chịu kéo và chịu nén liên tục. Nếu vật liệu không đạt tiêu chuẩn, hoặc bị ăn mòn, mỏi kim loại theo thời gian, thành lò có thể:

• Bị phồng, biến dạng
• Xuất hiện các vết nứt vi mô
• Vỡ hoặc nổ đột ngột khi áp suất vượt giới hạn chịu đựng

Do đó, thành lò thường được chế tạo từ thép chịu áp lực cao, có chiều dày tính toán chính xác dựa trên áp suất làm việc và hệ số an toàn.

Áp lực và áp suất trong lò hơi

Áp lực tác dụng lên hệ thống ống sinh hơi và ống dẫn

Hệ thống ống sinh hơi và ống dẫn nước – hơi là nơi áp lực tập trung cao, bởi diện tích tiết diện nhỏ nhưng lại phải chịu áp suất lớn từ bên trong. Theo nguyên lý vật lý, diện tích chịu lực càng nhỏ thì áp lực trên vật liệu càng nguy hiểm nếu có khuyết tật.

Trong quá trình làm việc, các ống này đồng thời chịu:

• Áp lực do áp suất hơi
• Ứng suất nhiệt do nhiệt độ cao
• Rung động cơ học do dòng chảy

Nếu không được thiết kế và bảo trì đúng cách, ống có thể bị:

• Mòn mỏng thành ống
• Nứt do giãn nở nhiệt không đều
• Phá hủy mối hàn nối

Đây là lý do vì sao sự cố nổ ống sinh hơi là một trong những tai nạn phổ biến và nguy hiểm nhất trong vận hành lò hơi.

Áp lực tại các mối hàn, mặt bích và điểm nối

Các mối hàn, mặt bích và điểm nối là những vị trí nhạy cảm với áp lực, bởi tại đây áp lực không phân bố đều mà thường bị tập trung cục bộ. Chỉ cần một sai sót nhỏ trong quá trình hàn hoặc lắp đặt, áp lực cao có thể gây:

• Rò rỉ hơi nước
• Bong mối hàn
• Nứt vỡ tại vị trí liên kết

Ngoài ra, quá trình giãn nở – co ngót liên tục do thay đổi nhiệt độ cũng làm các mối nối chịu ứng suất lớn, khiến nguy cơ hỏng hóc tăng theo thời gian.

Vì vậy, kiểm tra không phá hủy (NDT) và bảo dưỡng định kỳ là yêu cầu bắt buộc đối với các chi tiết chịu áp lực này.

Áp lực tác dụng lên van và thiết bị phụ trợ

Van an toàn, van điều chỉnh và các thiết bị phụ trợ khác cũng phải chịu áp lực lớn trong quá trình vận hành. Đặc biệt, van an toàn là bộ phận trực tiếp phản ứng với áp suất cao, có nhiệm vụ xả bớt hơi khi áp suất vượt ngưỡng cho phép.

Nếu van an toàn bị kẹt hoặc hư hỏng, áp lực trong lò không được giải phóng kịp thời, dẫn đến tăng áp suất đột ngột, gây nguy cơ nổ lò rất cao.

Điều này cho thấy áp lực không chỉ tác động lên kết cấu chính mà còn ảnh hưởng mạnh đến các chi tiết điều khiển an toàn.

Áp lực và áp suất trong lò hơi

Vai trò của việc kiểm soát áp suất trong lò hơi công nghiệp

Kiểm soát áp suất không chỉ nhằm đảm bảo an toàn mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất kinh tế.

Kiểm soát áp suất để đảm bảo an toàn lao động

An toàn là yêu cầu hàng đầu trong mọi hệ thống lò hơi. Áp suất vượt quá giới hạn thiết kế sẽ làm áp lực vượt khả năng chịu đựng của vật liệu, dẫn đến các sự cố nghiêm trọng như:

• Nổ lò
• Phá hủy thiết bị xung quanh
• Gây thương vong cho người vận hành

Do đó, áp suất trong lò luôn phải được duy trì dưới áp suất cho phép, thông qua hệ thống:

• Đồng hồ đo áp suất
• Van an toàn
• Bộ điều khiển tự động

Kiểm soát áp suất chính là kiểm soát rủi ro.

Kiểm soát áp suất để duy trì hiệu suất làm việc

Áp suất hơi có mối quan hệ trực tiếp với nhiệt lượng và năng lượng mà lò hơi cung cấp. Nếu áp suất quá thấp:

• Hơi nước mang ít năng lượng
• Hiệu quả sản xuất giảm
• Thời gian gia nhiệt kéo dài

Ngược lại, nếu áp suất quá cao:

• Tiêu tốn nhiều nhiên liệu
• Tăng tổn thất nhiệt
• Gây quá tải cho thiết bị

Vì vậy, việc duy trì áp suất ổn định ở mức tối ưu giúp lò hơi hoạt động hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.

Kiểm soát áp suất để kéo dài tuổi thọ thiết bị

Áp suất biến động liên tục sẽ làm vật liệu chịu:

• Ứng suất thay đổi
• Hiện tượng mỏi kim loại
• Ăn mòn nhanh hơn

Khi áp suất được kiểm soát tốt và ổn định, các bộ phận của lò hơi sẽ:

• Ít bị biến dạng
• Giảm nguy cơ nứt vỡ
• Kéo dài thời gian sử dụng

Điều này giúp doanh nghiệp giảm chi phí sửa chữa và thay thế thiết bị.

Áp lực và áp suất trong lò hơi

Kiểm soát áp suất gắn liền với tự động hóa hiện đại

Trong các lò hơi công nghiệp hiện nay, hệ thống kiểm soát áp suất thường được tự động hóa, sử dụng cảm biến, bộ điều khiển và phần mềm giám sát. Các hệ thống này cho phép:

• Theo dõi áp suất theo thời gian thực
• Cảnh báo khi áp suất bất thường
• Tự động điều chỉnh lượng nhiên liệu và nước cấp

Nhờ đó, áp suất luôn được giữ trong giới hạn an toàn mà không phụ thuộc hoàn toàn vào con người.

Tóm lại, áp lực và áp suất là những đại lượng vật lý cốt lõi chi phối toàn bộ hoạt động của lò hơi công nghiệp. Chúng quyết định từ thiết kế, vật liệu chế tạo, quy trình vận hành cho đến các biện pháp an toàn.