Một phương pháp mới khảo sát và xây dựng mô hình động học cơ bản của hệ phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện đốt than phun phục vụ thiết kế điều khiển

KHOA HỌC CÔNG NGHỆSó 07/2022 Một phương pháp mới khảo sát và xây dựng mô hình động học cơ bản của hệ phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện đốt than phun phục vụ thiết kế điều khiển ■ TS.. PHẠ

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

Só 07/2022

Một phương pháp mới khảo sát

và xây dựng mô hình động học cơ bản

của hệ phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện đốt than phun phục vụ thiết kế điều khiển

■ TS PHẠM THỊ LÝ

Trường Đại học Giao thông vận tài

TÓM TẮT: Nội dung bài báo tiến hành xây dựng một

mo hình cơ bản của hệ phụ tải nhiệt với mục đích mô

phong các chế độ vận hành cũng nhu khảo sát ảnh

hương của các yếu tố nhiễu tới chất lượng, hiệu quả

của hệ và để có thể hiệu chỉnh điều khiển hệ Phương

pháp xây dựng mô hình mô phỏng là dựa trên động

học các quá trình kết hợp với số liệu thu được của một

tổ máy của Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng và dùng

công cụ phần mềm Matlab&Simulink để mô phỏng

Kết quả ban đầu thu được mô hình cơ bản, đáp ứng

đưọc mục đích đề ra Khi khảo sát chế độ vận hành

điềi khiển tua-bin theo lò hơi cho đáp ứng sát với đáp

ứng thu được từ thực tế vận hành tại nhà máy

Từ KHÓA: Phụ tải nhiệt, lò hơi, quá trình cháy, nhà

máy nhiệt điện

ss of building a basic model for the thermal load

n This model is built to simulate the operating

ABSTRACT: The content of the article presents the

proci::

syste

modes and investigate the influence of noise factors

on the quality and efficiency of the system and be able

to adjust the system control The method of building

simulation models is based on the kinematics of the

processes combined with the data obtained from

a unit of Hai Phong thermal power plant and using

Matlab&Simulink software tools to simulate The initial

results have obtained the basic model, which meets

the set purpose When investigating the operating

mode of turbine control according to the boiler, the

response is close to the response obtained from the

actual operation at the plant

KEYWORDS: Thermal load, boiler, combustion

process, thermal power plants

1.ĐẶTVẤNĐÉ

Hệ điểu khiển phụ tải nhiệt trong nhà máy nhiệt điện

đốt than phun là một hệ thống điểu khiển lớn, vô cùng

phức tạp Trong hoạt động điều khiển của hệ thống này có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng qua lại, đan xen lẫn nhau Hệ điểu khiển phụ tải nhiệt phải đảm bảo điểu khiển các đại lượng đầu vào là lưu lượng nhiên liệu, gió và môi chất là nước, để đáp ứng yêu cầu phụ tải nhiệt đầu ra là cóng suất hơi với các đại lượng là nhiệt độ, áp suất và lưu lượng hơi Vì vậy, hệ điểu khiển phụ tải nhiệt đóng vai trò cốt lõi của hệ điểu khiển lò hơi và hiện nay tại Việt Nam chưa có nghiên cứu nào nghiên cứu chi tiết, rõ ràng về vấn để này Việc xây dựng được một mô hình điểu khiển chính xác, phản ánh đúng đắn các quá trình diễn biến vật lý của hệ thống là rất cẩn thiết để từ đó có thể tìm ra các phương pháp điều khiển nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, tiết kiệm nhiên liệu và bảo vệ môi trường Chính vì lý do trên nên việc xây dựng

mô hình hệ điểu khiển phụ tải nhiệt cho đến nay luôn luôn được quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trên thê' giới và những năm gần đây ở cả Việt Nam cũng đang rất sôi nổi vể vấn đề này Nội dung bài báo sẽ xây dựng mô hình

mô phỏng hệ phụ tải nhiệt với đầy đủ động học của các quá trình cơ bản nhằm khảo sát đánh giá vận hành điểu khiển lò hơi để có thể chỉnh định hệ điểu khiển góp phần nâng cao hiệu quả vận hành lò hơi

2 MÔ HÌNH HỆ ĐIỂU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT

Nhà máy nhiệt điện khi sửdụng 100% nhiên liệu là than thường chỉ vận hành ở chế độ phát công suất vào lưới điện (70 - 100%)Pđm [2,4, 5, 8,10], vì vậy trong phạm vi nghiên cứu hệ điều khiển phụ tải nhiệt của bài báo này chỉ nghiên cứu điểu khiển phát công suất vào lưới điện Đối với lò hơi, quá trình ngưng hơi và hâm nước khử khí có tính độc lập tương đối với điểu khiển phụ tải nhiệt [4,5,8,10-14] Vì vậy,

để giảm tính phức tạp của hệ ta coi hai quá trình điều khiển này vận hành ổn định và đảm bảo các yêu cầu vểchất lượng điểu khiển Từ giả thiết đó, ta có cấu trúc tổng quát của hệ phụ tải nhiệt được trình bày dưới dạng sơ đó khối tổng quát trên Hình 2.1 Trong cấu trúc tổng quát này, hệ điểu khiển phụ tải nhiệt là vùng đóng khung — gốm các đại lượng đẩu vào là: công suất đặt, áp suất đặt; các đại lượng đầu ra là: công suất nhiệt yêu cầu cho lò (lưu lượng nhiên liệu), tín hiệu điểu khiển góc mở van hơi vào tua-bin

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

Số 07/2022

Nhiễu D,

Hình 2.1: cấu trúc tổng quát mô hình hệ phụ tải nhiệt

Hệ điều khiển phụ tải nhiệt có hai đối tượng điều

khiển: Lò hơi và cụm tua-bin - máy phát [4, 5,8,10]; hai đại

lượng cần điểu khiển là áp suất hơi và công suất phát; hai

cơ cấu chấp hành: van nhiên liệu và van hơi; có hai lượng

đặt: công suất phát Ne* và áp suất hơi Trước đây, áp suất

đặt thường được giữ không đổi Ngày nay, để tăng công

suất, người ta dùng lượng đặt theo dạng công suất trượt,

trong đó vùng công suất < 70% áp suất đặt không đổi, khi

công suất từ (70 -100%)Pđm thì áp suất có tăng theo công

suất đặt là quan hệ tuyến tính biến thiên trong vùng hẹp

tương ứng (76 - 80%)Pmax Ngoài ra, còn có các loại nhiễu

D tác động vào hệ phụ tải nhiệt, gây ảnh hưởng tới quá

trình vận hành, cấu hình điều khiển phụ tải nhiệt được xây

dựng theo cấu trúc mở để có thể lập cấu hình điểu khiển

theo ba chế độ vận hành: theo lò hơi, theo tua-bin, kết hợp

lò và tua-bin Ngoài ra, mô hình có thể nghiên cứu áp dụng

các thuật điều khiển hiện đại như điểu khiển dự báo, điểu

khiển tối ưu hóa

3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC HỆ PHỤ TÀI NHIỆT

3.1 Các vấn đề cơ bản khi xây dựng động học phụ

tải nhiệt

Xuất phát từ mục tiêu là xây dựng mô hình động học

để phục vụ điều khiển cho đối tượng lò hơi đã biết và

đang làm việc tại điểm cân bằng, vì vậy phương pháp xây

dựng mô hình động học là căn cứ vào cấu trúc điều khiển

của lò hơi Cho nên, các mạch vòng điểu khiển kín trong

hệ như: điều khiển cấp liệu (gió và nhiên liệu), điều khiển

cấp nước (mức nước bao hơi) điểu khiển chân không

buồng đốt, điểu khiển hơi quá nhiệt, đểu là một thành

phần trong mô hình phụ tải nhiệt Như vậy, ta cần phải

xây dựng động học cho các quá trình của các mạch vòng

điểu khiển trên Căn cứ để xây dựng động học là dựa trên

phương trình cân bằng năng lượng, cân bằng khối lượng

cho các điểm điểu khiển theo nguyên tắc quan hệ vào

- ra Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới mô hình, ta sẽ giả

thiết các yếu tố đó coi là nhiễu và không đổi để xây dựng

được mô hình cơ bản, sau đó ta sẽ xét đến các nhiễu ảnh

hưởng tới mô hình Thông số mò hình sẽ kết hợp tính

toán theo lý thuyết và hiệu chỉnh theo số liệu nhận dạng

từ nhà máy cụ thể

3.2 Động học và điều khiển các quá trình trong

lò hơi

*Động học và điều khiển quá trình cấp nhiên liệu và quá trình cháy [1,2,3,4]:

LƯU lượng nhiên liệu (W) cùng với gió 1 gió 2

(Wul, Wa2) đưa vào lò được cháy và sinh ra nhiệt Theo [7], nhiên liệu đưa vào lò thực hiện quá trình cháy, tổng tổn thất từ q2,q6 là 10,836%, trong đó q4= 2,79%, q5= 0,21%, toàn bộ hiệu suất nhiệt của lò hơi tạo nên từ công suất nhiệt là 89,164%: Công suất nhiên liệu Qz = w h khi cháy

sẽ truyền nhiệt cho dàn ống sinh hơi, một phần thoát theo khói Qj, theo tro xỉ Qv và các tổn thất khác Q(í, ta có:

Q / wfCfTf- +'N„Cji + Q t , + Qu Q, - Èe„ =0 (1) Công suất truyền nhiệt để sinh hơi là tổng công suất truyền nhiệt bức xạ Qta và công suất truyền đối lưu Qdl là hàm của nhiệt độ cháy T được tính:

Q„ = Qbx + Qdl = kbxT' + kd, (T-TJ (2) Truyền nhiệt từ dàn ống sinh hơi tới nước xuống (downcoming) từ bao hơi:

Qsh=kTA(T-T y

Công suất nhiệt của khói ra đầu lò được tính theo công

thức: Q k = ^kCkTk Các thành phần tổn thất nhiệt theo tro xỉ

và các tổn thất khác được giả thiết không đổi (tính theo % công suất nhiệt vận hành)

*Động học mạch vòng điều khiển khói gió:

Mạch vòng điểu khiển khói gió của lò tạo phân bố áp suất âm cho buồng lò, đảm bảo môi trường cho quá trình cháy của nhiên liệu Lúc đó, lưu lượng quạt khói phải lớn hơn tổng lưu lượng gió vào lò (Wj >ZWJ LƯU lượng gió vào lò thay đổi theo lưu lượng nhiên liệu (công suất phát)

Vì vậy, người ta chọn đại lượng tác động của mạch vòng khói gió lò là lưu lượng khói, thông qua điều khiển Dumper kết hợp với điểu khiển tốc độ quạt (biến tần) Giả thiết gấn đúng khói gió của lò là khí lý tưởng với nhiệt độ không đổi,

ta có biến thiên áp suất tại điểm đo trong lò:

Hàm truyền điểu khiển lưu lượng khói được tính:

Au Tks +1

* Động học bao hơi của lò hơi [5]:

Phương trình cân bằng khối lượng của bao hơi, với giả thiết nước bay hơi trên mặt thoáng bao hơi bằng lượng nước ngưng tụ, ta có:

- Đối với nước: Biến thiên khối lượng nước trong bao hơi bằng tổng lưu lượng nước cấp trừ đi nước xuống ống sinh hơi cộng với nước lên từ ống sinh hơi

(5)

at

-Đối với hơi: Biến thiên khối lượng hơi trong bao hơi bằng hiệu của lưu lượng hơi vào bao hơi (từ ống sinh hơi)

và lưu lượng hơi ra khỏi bao hơi:

at

Phương trình cân bằng năng lượng cho bao hơi:

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

Só 07/2022

—= ố.x-'sh fc-wnx A +nx hv w A +hv

VJ.h,- WJhr

ni ni nr nr

E = mu + m.u

n n n n

Biến đổi (6) ta có:

dm„ dm, du„ du, 'dT _ „ , ,,, ,

u ——+ uh + (m, + mh “7^7) , = Qsh ■ + WfJhn-+ ■ w.h.

(7)

(8) Nhiệt độ của hơi bão hòa được tính:

dT,,

_bh

-dt

\Qsh + ™nXV>nX- ™hv (hhv - uh)] w„,(hn - un) whr (hh - uh) - ^bh (uh - hh)

, ịẨn m k (mn ỉ mh l

dT n dT

, ±ĨL+ m.

dT dT

(9)

Khi đạt cân bằng hơi và nước, ta có áp suất hơi bão hòa

đượq tính theo phương trình angtoan [5]:p = K(T) Trong

đó, là hàm nhiệt độ khi cân bằng hơi - nước

Động học quá trình quá nhiệt và giảm ôn [1 ]:

ét quá trình hơi quá nhiệt, có hai giai đoạn: Giai đoạn

X

trao đổi nhiệt hơi bão hòa với khói để tạo hơi quá nhiệt 1,

nhiệt _ _ _

giảm ân và hơi quá nhiệt 1, ta được hơi quá nhiệt 2 có nhiệt

độ ổn định khoảng 540°C Giả thiết xây dựng động học các

quá trình quá nhiệt theo các phương trình cân bằng năng

lượng vào-ra Ta có:

phương trình cân bằng năng lượng trao đổi nhiệt hơi

bão hòa với khói để tạo ra hơi quá nhiệt qua các bộ quá

nhiệt, rheo cân bằng vào - ra ta viết thành 2 phương trình:

-Tịao đổi nhiệt giữa khói và hơi bão hòa để tạo hơi quá

nhiệt dấp cho bộ phun giảm ôn:

m\ck = kTkAk Vmh ~V~^kCk (Tk - w

.C„/-^ = knAk^-Tmh)-Qlrh

độ cao khoảng 600°C, sau đó trao đổi nhiêt giữa nước

trình W(KJ/kg), nhiệt lượng cấp vào chu trình q1 (kj/kg) và nhiệt lượng thải ra q2 (kJ/kg):

91 91

* Mô hình động học tua-bin [6]:

Cấu trúc chung của mô hình tua-bin:

I m)nh^mh

at

(10)

Hình 3.1: cấu trúc chung của mô hình tua-bin

Phương trình động học của quá trình sinh công với giả thiết quá trình tái nhiệt là lý tưởng, ta có mô-men tua-bin sinh ra quay máy phát là:

T — tr dQnp „ dQlP dQLP

^^hgnv=Qth^

Phương trình cân bằng nàng lượng cho quá trình phun

giảm ôn để tạo ổn định nhiệt độ đầu ra hơi quá nhiệt

dt Trong đó: Ký hiệu "hqnv" là hơi quá nhiệt vào bộ phun

hqnr"là hơi quá nhiệt ra của bộ phun giảm ôn

h hgnv + (^gơ - ^)Wng0 =

A/ = Tm.cũ

Cấu trúc mô hình tua-bin được trình bày trên Hình 3.2

Hình 3.2: cấu trúc mô hình tua-bin [6]

giảm ôn "I ,

3.3 Mò hình tua-bin - máy phát

Hàm truyền của van điểu chỉnh:

_ kve~0"s

fÂ" TyS +1

Lưu lựợng hơi được tính theo đặc tính của van:

Mô hình máy phát điện: Giả thiết hệ làm việc với công suất đặt và tần số lưới là không đổi nên công suất phát được tính gần đúng:

k

Hiệu suất nhiệt của chu trình Rankine cho quá trình

biến nhiệt năng thành cơ năng, với công sinh ra của chu

4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG

SỐ liệu sử dụng để xây dựng mô hình là của tổ máy số

2 của Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng [7, 8], sản xuất vào tháng 7/2017 Tổ máy có công suất 300 MW, tương ứng với điểu kiện vận hành từ 75 - 100% RO, nhiệt độ nước cấp

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

Só 07/2022

283°c, nhiệt độ gió 1 và nhiên liệu 347°c, nhiệt độ hơi bão

hòa 353°c, nhiệt độ hơi quá nhiệt 541 °C, áp suất hơi 14,79

-17,3 MPa, lưu lượng hơi 653,1 - 996,93T/h, nhiệt độ khói

đầu ra buổng lửa là 1.047 - 1.118°c, hiệu suất định mức của

lò 89,164% Mô hình được xây dựng dựa trên số liệu thu

thập được từ quá trình vận hành sản xuất tại nhà máy với

mức tài thay đổi từ 230 lên 300 MW (tổ máy vận hành ổn

định) ở chế độ điểu khiển theo lò hơi và đường cong vận

hành của tổ máy số 2, tháng 7/2017, trên Hình 4.1

Hình 4.1: Đường cong vận hành của tổ máy số2

nhiệt điện Hải Phòng

Từ số liệu thực tế thu thập được ta tiến hành xây dựng

các hầm cơ bản quan hệ giữa các thành phần trong mô

hình như: Quan hệ giữa công suất hơi theo lưu lượng nhiên

liệu Quan hệ giữa lưu lượng nước cấp theo lưu

lương hơi Quan hệ giữa áp suất hơi đặt theo công

suất đặt Các quan hệ này được biến đổi thành các

hàm truyền đạt, từ đó tiến hành thiết lập mạch vòng điểu

khiển và tiến hành xây dựng mô hình mô phỏng bằng công

cụ phẩn mểm Matlab&Simulinktrên Hình 4.2

Hình 4.2: Mô hình xây dụng mô phỏng trên Simulink

Mô hình mô phỏng xây dựng cho phép áp dụng các

cấu hình điểu khiển khác nhau, cài đặt tham số kỹ thuật và

thông số vận hành theo thực tê' ví dụ như: tốc độ tăng công

suất đặt (MW/phút), nhiệt trị nhiên liệu thay đổi on-line hay

off-line đánh giá các đáp ứng chính và đánh giá mức tiêu

hao nhiên liệu trung bình

Tiến hành mô phỏng theo đường cong vận hành của

nhà máy (Hình 4.2) để đánh giá, hiệu chỉnh mô hình Trên

mô hình có thể trích xuất các đại lượng vào và ra, trong nội

dung bài báo chỉ dẫn trích xuất ra 7 đổ thị (Hình 4.3), gồm:

Đáp ứng công suất đặt và công suất thực, lưu lượng nhiên

liệu và không khí, áp suất hơi, lưu lượng hơi, lưu lượng nước cấp và góc mở van theo %

Hình 4.3: Đáp úng của mô hình mô phỏng hệ phụ tải nhiệt

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ

Só 07/2022

Ì

Nhận xét:

- Đáp ứng thu được trên mô hình có dạng đặc tính gần

ng tự so với đường cong vận hành thực tế tại nhà máy;

- Trên mô hình cũng tính được suất tiêu thụ than trên 1

/h sản xuất (Kg than)/KWh là có số liệu gần đúng với số

vận hành;

- Kết quả mô phỏng thực hiện ở một chế độ vận hành

của tổ máy để kiểm chứng độ tin cậy của mô hình Mô hình

có thể thực hiện mô phỏng các chế độ vận hành khác, sẽ

được tác giả nghiên cứu tiếp;

- Mô hình xây dựng đáp ứng được yêu cẩu để ra, tuy

nhiên mô hình vẫn còn nhiều vấn để cần tiếp tục hoàn

thiẹn về ảnh hưởng của các nhiễu, như: chất lượng than,

chât lượng quá trình cháy và chất lượng điểu khiển của các

mạch vòng

5 KẾT LUẬN

Bài báo đã phân tích động học, kết hợp với số liệu thu

thập được từ Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng để tiến hành

xây dựng mò hình điểu khiển hệ phụ tải nhiệt ở chế độ

vận hành máy theo lò Kết quả thu được đáp ứng và tính

toán gần tương đương với vận hành thực tê' tại nhà máy

Từ mô hình cơ bản xây dựng được, nhóm nghiên cứu sẽ

tiếp tục phát triển hoàn thiện để có được kết quả nghiên

cứu bám sát thực tế hơn và sẽ trình bày trong nội dung

các qài báo sau

Tài liệu tham khảo

[■ ] A.W.Ordys, A.w Pike, M.A Johnson, R.M.Katebi

and MJ.Grimble (1994), Modelling and Simulation Power

Generation Plants, Springer-Verlag London Ltd.

[2p Sam G Dukelow (1991), The control of boiler, 2nd

Edition, ISA

[3] Đỗ Văn Thắng (2010), Vận hành thiết bị lò hơi và

tuabin của nhà máy nhiệt điện, NXB Giáo dục Việt Nam.

[4] PGS.TS Phạm Lê Dần,TS Nguyễn Công Hân (1999),

Công nghệ lò hơi và mạng nhiệt, NXB Khoa học và Kỹ thuật

[5], Philip J Thomas (1999), Simulation of Industrial

Processes for Control Engineers, Elsevier.

[6]i Prabha Kundu (1994), Power System stability and

Control, A Volume in the EPRI Power System Engineering

Series

[7] Các tài liệu và bản vẽ và thuyết minh: Vận hành lò hơi,

tua bin, thiết bị đo, vận hành DCS và các tời liệu khác của

Nhà máỵ Nhiệt điện Uông Bí mở rộng và Nhà máy Nhiệt điện

Hải Phòng.

[8] Các dữ liệu hoạt động của Nhà máy Nhiệt điện Hài

Phòng trong tháng 7/2017, định dạng dưới dạng file exel và

file ảnh chụp từ trend vận hành tại nhà máy.

Ngày nhận bài: 21/6/2022

Ngày chấp nhận đăng: 04/7/2022

Người phản biện: PGS.TS Trịnh Lương Miên

TS An Thị Hoài Thu Anh