Đăng ký thành viên

Ảnh nhiệt: Một công cụ có giá trị để theo dõi tổn thất nhiệt chu trình kết hợp

Nguồn năng lượng sơ cấp cho (các) lò sinh hơi thu hồi nhiệt (HRSG) của một tổ máy điện chu trình kết hợp chính là khí thải từ tuabin đốt. Nhiệt độ khí thải có thể đạt hoặc vượt quá 540^oC, và thậm chí có thể đạt nhiệt độ cao hơn nếu ống nạp khí của HRSG có các đầu đốt trực tiếp. Điều quan trọng đối với hiệu suất của HRSG, độ bền lâu của vật liệu, và, trong một số trường hợp, sự an toàn của nhân viên là giữ nhiệt của khí thải chứa bên trong HRSG từ ống nạp khí qua các mođun HRSG áp suất cao, áp suất trung gian và áp suất thấp đến ống khói thải. Các ống dẫn và vỏ HRSG thường bao gồm một lớp lót cách nhiệt giúp hạn chế truyền nhiệt ra môi trường bên ngoài. Tuy nhiên, các ứng suất cơ và nhiệt sẽ liên tục làm hỏng các vật liệu này và dẫn đến tổn thất hiệu suất. Do đó, điều quan trọng là phải có một phương pháp nhanh chóng và đơn giản để nhận dạng các điểm yếu để có thể sửa chữa ngay khi có cơ hội đầu tiên.

Ảnh nhiệt là một công cụ rất hiệu quả, nhanh chóng và đơn giản để xác định các điểm yếu để có thể sửa chữa ngay khi có thể (Ảnh st)

Ảnh nhiệt là một công cụ rất hiệu quả cho mục đích này và bài viết này phác họa một số ví dụ từ một phân tích ảnh nhiệt mở rộng của một nhà máy điện chu trình kết hợp hai tổ máy ở vùng Tây Nam nước Mỹ. Theo nguyên văn báo cáo cuối cùng của SVI Dynamics (Mỹ) – công ty chuyên về thiết kế, kỹ thuật, sản xuất các giải pháp đường dẫn khí cho ứng dụng năng lượng và quá trình công nghiệp, “Mục tiêu kỹ thuật của đánh giá nhiệt này là 1) mô tả tính năng cách nhiệt chung của các mối nối giãn nở và kết cấu vách lót của mỗi hệ thống HRSG, và 2) nhận dạng bất kỳ điểm yếu nào trong hệ thống này do lớp lót bị mỏi, thoát hơi cách nhiệt, dẫn nhiệt trực tiếp của kim loại hoặc lắp đặt hay sửa chữa không đúng cách.”

Một số nguyên lý cơ bản về bức xạ

Bức xạ phát ra từ bề mặt của một vật thể là một hàm của nhiệt độ vật thể như được mô tả bởi mối quan hệ Stefan-Boltzmann. 

W = σ∙ε∙T⁴ Phương trình 1

Trong đó:

W = Công suất bức xạ phát ra (W/m²)

σ = Hằng số Stefan-Boltzmann (5,69 W/m²K⁴)

ε = Độ phát xạ của vật thể

T = Nhiệt độ tuyệt đối của vật thể (độ K)

Một điểm quan trọng cần thừa nhận là nhiệt năng phát ra là một hàm của lũy thừa bốn của nhiệt độ. Nói cách khác, một sự gia tăng nhỏ về nhiệt độ của vật thể bức xạ sẽ dẫn đến sự gia tăng đáng kể công suất bức xạ trên một đơn vị diện tích, điều này có thể dễ dàng phát hiện bằng hình ảnh camera hồng ngoại.

Trong thực hành ảnh nhiệt thực tế, phần tử hồng ngoại của bức xạ trong vùng mục tiêu được đo và chuyển đổi thành nhiệt độ tương đương. Ảnh nhiệt kết cấu từ vô số các phép đo điểm được thực hiện tuần tự trong khi quét trường nhìn bằng cách biểu diễn các giá trị nhiệt độ điểm trên thang màu, cho phép diễn giải trực quan các hình mẫu nhiệt bức xạ. Các màu sắc khác nhau được minh họa ngắn gọn trong một số bức ảnh chụp.

Người ta đã báo cáo một số biến số ảnh hưởng đến nhiệt độ, bao gồm tiêu điểm ảnh, dải nhiệt độ đúng, khoảng cách từ máy ảnh đến mục tiêu, độ phát xạ, năng lượng phản xạ, nhiệt độ khí quyển và độ ẩm. Tất cả các biến số này đều được tích hợp bên trong thiết bị hình ảnh. Độ phát xạ là thuộc tính duy nhất quan trọng nhất cần thiết cho phép đo nhiệt. Độ phát xạ là tỷ lệ giữa lượng bức xạ điện từ thực tế do một vật thể phát ra so với lượng bức xạ do một vật đen lý tưởng phát ra ở cùng nhiệt độ. Vật đen được định nghĩa là vật hấp thụ và phát xạ hoàn hảo, với độ phát xạ là 1,0. Giá trị độ phát xạ cao biểu thị tốt hơn nhiệt độ thực của mục tiêu quan tâm, trong khi giá trị độ phát xạ thấp cho thấy mức độ phản xạ cao, nghĩa là nhiệt độ biểu kiến bị chi phối bởi năng lượng hồng ngoại phản xạ của bề mặt mục tiêu. Một ví dụ về bề mặt có độ phát xạ thấp là thép mạ nhôm hoặc mạ kẽm, trông nhẵn nhụi hoặc được đánh bóng đối với người xem. Độ phát xạ được xác định là 0,93 đối với các bề mặt vỏ ngoài trong quá trình khảo sát được thực hiện cho dự án này.

Cấu hình ống thoát khí/HRSG

Bố trí đường dẫn/thiết bị của khí thải tuabin đốt từ mỗi tổ máy bao gồm một ống khuếch tán từ tòa nhà tuabin, một kết nối khớp giãn nở với ống chuyển tiếp của HRSG, một HRSG ba áp suất (bộ bốc hơi áp suất thấp, áp suất trung gian và áp suất cao với các mạch quá nhiệt đi kèm và một tầng xúc tác CO/SCR), và một ống khói chính thẳng đứng cuối cùng. Nhân viên nhà máy đã quan sát thấy những khó khăn với các ống khuếch tán và trên một tổ máy, nhiệt bức xạ từ phía trên ống khuếch tán đã làm tan chảy vỏ bó cáp trong một khay dây treo phía trên ống. Nhân viên nhà máy đã lắp đặt lớp cách nhiệt trên đỉnh ống như một biện pháp tạm thời để giảm tổn thất nhiệt bức xạ. Bây giờ chúng ta sẽ xem xét một số ví dụ trong số rất nhiều ví dụ về cách ảnh nhiệt đã nhận dạng được tổn thất nhiệt quá mức phát sinh sau hơn hai thập kỷ vận hành nhà máy.

Những điểm yếu đã nhận dạng

Như đã lưu ý ở trên, nhân viên nhà máy đã ghi nhận các vị trí có vấn đề trên ống khuếch tán. Hình 1a bên dưới cho thấy ảnh chụp mối nối giãn nở giữa ống khuếch tán và ống chuyển tiếp trên một tổ máy. Thanh tra trực quan cho thấy các mặt bích và vật liệu của các mối nối giãn nở bị ăn mòn và xuống cấp.

Hình 1a. Ống bộ khuếch tán, mối nối giãn nở, các mặt bích và vỏ bọc hạ lưu trên một tổ máy (Ảnh st).

Đánh giá nhiệt độ tại vị trí này đã xác nhận sự xuống cấp ở tổ máy đã ổn định ở chế độ vận hành đầy tải.

Hình 1b. Phân tích ảnh nhiệt của cùng một vị trí (Ảnh st)

Dữ liệu cho thấy nhiệt độ tại mối nối giãn nở cao hơn 272^oC trong khi giới hạn bình thường, có thể chấp nhận được là 162^oC. Do đó, ước tính trực quan về sự xuống cấp của vật liệu rõ ràng là hợp lý. Khuyến cáo thông thường đối với các điểm có nhiệt độ trên 272^oC trong quá trình vận hành đầy tải là kiểm tra ngay lập tức hoặc càng sớm càng tốt bởi nhân viên có trình độ, sau đó tiến hành bảo trì khắc phục. Các bước này có thể bao gồm sửa chữa lớp lót bên trong hoặc kết cấu đỡ, vỏ ngoài, hoặc các quy trình khác.

Những bức ảnh tiếp theo tập trung vào một điểm dễ thấy trên ống chuyển tiếp. Ảnh nhiệt cho thấy rõ ràng một điểm nóng, có thể là do cách nhiệt tại vị trí này bị hỏng.

Hình 2a. Điểm nóng có thể quan sát được trên ống chuyển tiếp (Ảnh st)

Hình 2b. Phân tích nhiệt độ của vị trí này (Ảnh st)

Ví dụ cuối cùng minh họa nhiều điểm nóng tại vỏ bao quanh bộ phận bốc hơi áp suất cao của HRSG. Nhiều điểm nóng nằm ở các điểm xuyên qua đường ống có đường kính nhỏ vào ống dẫn.

Hình 3a. Một bên của ống dẫn bao quanh mạch bộ bốc hơi áp suất cao (Ảnh st)

Hình 3b. Phân tích ảnh nhiệt tại vị trí này. Lưu ý nhiệt độ cao cục bộ tại các điểm xuyên ống (Ảnh st)

Ba ví dụ này được trích từ một báo cáo dài 200 trang, trong đó đã nhận dạng thêm nhiều vị trí tổn thất năng lượng quá mức. Một hàm ý rõ ràng là tuổi thọ và các điều kiện áp lực ở phía khí thải của các tổ máy chu trình kết hợp làm suy giảm các thành phần như lớp cách nhiệt và vỏ, làm giảm hiệu suất của tổ máy. Việc phát hiện nhiều vấn đề này bằng mắt thường có thể khó khăn, nếu không muốn nói là đôi khi không thể, nhưng ảnh nhiệt cung cấp một phương pháp rõ ràng để đạt được mục tiêu này. 

Kết luận

Phát điện chu trình kết hợp vẫn chiếm một tỷ trọng lớn trong cơ cấu sản xuất năng lượng của Mỹ và xu hướng này dự kiến sẽ tiếp tục. Ngày 13/3, tại Tuần lễ CERAWeek, Chủ tịch Ủy ban Điều tiết Năng lượng Liên bang (FERC) Mark Christie nhận định rằng nhu cầu điện sẽ vượt xa nguồn cung nếu không tiếp tục nỗ lực mở rộng phát điện. Mặc dù năng lượng tái tạo sẽ là một phần của nỗ lực này, ông Christie cho rằng các nhà máy điện chu trình kết hợp mới sẽ đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu năng lượng.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “power-eng”, tháng 6/2025