Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ bình bao hơi bằng bộ điều khiển mờ lai

Tính cấp thiết của đề tài Đối với nhà máy nhiệt điện thì hệ thống điều chỉnh tự động đóng một vai trò then chốt trong quá trình sản điện năng.. Nội dung luận văn Với mục tiêu đặt ra, n

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐÀO HỒNG CẨM MƠ

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BÌNH BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN

MỜ LAI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên - 2014

Trang 2

LỜI NÓI ĐẦU

Tự động hoá đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong hầu hết các ngành sản xuất của nền kinh tế hiện đại Đặc biệt là công nghiệp và sản xuất điện năng Hệ thống điều chỉnh tự động đóng một vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu quả kinh tế và đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng thời giải phóng sức lao động của con người

Với sự phát triển của công nghệ tự động hóa điều khiển quá trình, đặc biệt với việc điều khiển bằng bộ điều khiển mờ lai là thiết bị điều khiển tự động trong đó gồm bộ điều khiển kinh điển và bộ điều khiển mờ đem lại nhiều thành tựu trong nhiều lĩnh vực Với đối tượng điều khiển là bình bao hơi trong nhà máy nhiệt điện thì đã có những nghiên cứu ứng dụng điều khiển tự động mực nước bình bao hơi hay áp suất bình Tuy nhiên về phần ổn định nhiệt độ thì còn cần phải nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng điều khiển, điển hình là áp dụng bộ điều khiển mờ lai

Với những kiến thức của mình cùng sự tìm tòi nghiên cứu và hướng dẫn của

PGS.TS Nguyễn Như Hiển tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Nâng cao chất lượng

hệ thống điểu khiển ổn định nhiệt độ bình bao hơi bằng bộ điều khiển mờ lai”

Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong khoa Điện của trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái

Nguyên Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy PGS.TS Nguyễn Như Hiển đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao Tôi xin chân thành cảm

ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô

Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy,

cô giáo để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này

Học viên

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Đào Hồng Cẩm Mơ

Sinh ngày: 14 tháng 9 năm 1988

Học viên lớp cao học khoá 14 - Tự động hoá 01

Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại Công ty TNHH Yamaha Motor Vietnam

Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác

Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn

Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

Tác giả luận văn

Đào Hồng Cẩm Mơ

Trang 4

MỤC LỤC

NỘI DUNG TRANG

LỜI NÓI ĐẦU i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC CÁCBẢNG viii

DANH MỤC CHỮ VIẾTTẮT viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu của luận văn 2

3 Kết quả thực nghiệm của luận văn 2

4 Nội dung luận văn 2

CHƯƠNG 1 3

NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG LÕ HƠI CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 3

1.1.1 Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện 3

1.1.2 Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện 4

1.1.3 Lò hơi nhà máy nhiệt điện 5

1.2 NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT BÌNH BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 12

1.2.1 Đặt vấn đề 12

1.2.2 Bộ quá nhiệt và các thiết bị liên quan trong hệ thống 13

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 22

CHƯƠNG 2 24

MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG NHIỆT ĐỘ TRONG 24

LÕ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 24

2.1 KHÁI QUÁT CHUNG 24

2.2 MÔ TẢ TÓAN HỌC CHO CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÕ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 26

2.2.1 Cấu trúc tổng quát một hệ điều khiển quá trình 26

2.2.2 Hàm truyền của hệ thống 32

CHƯƠNG 3 34

Trang 5

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT CHO LÕ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 34

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 34

3.1.1 Bộ điều khiển PID 34

3.1.2 Chọn luật điều khiển PID 36

3.1.3 Phương pháp tối ưu độ lớn 38

3.2 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BẰNG MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB-SIMULINK 41

3.2.1 Cấu trúc mô phỏng 41

3.3.2 Các kết quả mô phỏng 41

3.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THỆ THỐNG BẰNG THỰC NGHIỆM 42

3.3.1 Cấu hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm 42

3.3.2 Giới thiệu về mô hình thực nghiệm 45

3.3.3 Các kết quả thực nghiệm 48

3.3.4 So sánh với kết quả mô phỏng 48

CHƯƠNG 4 49

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO LÕ HƠI 49

NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI 49

4.1 CẤU TRÖC MỘT BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 49

4.1.1 Mờ hoá 49

4.1.2 Giải mờ 50

4.1.3 Khối luật mờ và khối hợp thành 51

4.1.3.1 Các bước xây dựng luật hợp thành khi có nhiều điều kiện 52

4.2 CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ 53

4.2.1 Bộ điều khiển mờ tĩnh 53

4.2.2 Bộ điều khiển mờ động 54

4.2.3 Điều khiển mờ lai 55

4.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI 58

4.3.1 Đặt vấn đề 58

4.3.2 Mờ hoá 58

4.3.3 Sơ đồ mô phỏng 59

4.3.4 Kết quả mô phỏng 59

KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ 61

Trang 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

TÊN CÁC HÌNH VẼ……… ………… … ……….….TRANG

Hình 1.1: Sơ đồ vòng tuần hoàn kín hơi nước trong nhà máy nhiệt điện 4

Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo của lò hơi có bao hơi 6

Hình 1.3: Sơ đồ bố trí bộ quá nhiệt 14

Hình 1.5: Bố trí bộ giảm ôn ở đầu vào 15

Hình 1.4: Bố trí bộ giảm ôn ở cuối 15

Hình 1.6 : Giảm ôn bề mặt 15

Hình 1.7 : Ảnh hưởng phụ tải đến nhiệt độ hơi quá nhiệt 17

Hình 1.8: Đặc tính động của hơi quá nhiệt 18

Hình 1.9 : Điều chỉnh nhiệt độ dùng cơ cấu điều chỉnh góc phun nhiên liệu nhiệt 20

Hình 1.10 : Điều chỉnh nhiệt độ dùng cơ cấu điều chỉnh lưu lượng giữa các ống phun nhiên liệu 20

Hình 1.11: Sơ đồ cấu trúc hệ hai vòng điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt 22

Hình 2.1: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình 26

26

Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành 29

29

31

Hình 2.6 : Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt 33

Hình 3.1: Bộ điều khiển theo quy luật PID 34

Hình 3.2: Dải tần số mà ở đó có biên độ hàm đặt tính bằng 1, càng rộng càng tốt 39

Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt cho lò hơi nhà máy nhiệt điện 40

Hình 3.4: Cấu trúc mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt lò hơi 41

Hình 3.5a: Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt lò hơi khi không có nhiễu 41

Hình 3.5b: Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển nhiệt cho lò hơi khi có nhiễu 42

Hình 3.6: Cấu trúc thực nghiệm ổn định nhiệt độ bình bao hơi 42

Hình 3.7: Bình mức trong thí nghiệm điều khiển nhiệt độ 43

Hình 3.8: Van điều khiển để ổn định nhiệt độ 43

Hình 3.9: Giao diện trong thí nghiệm ổn định nhiệt độ 44

Hình 3.10: Giao diện kết quả thí nghiệm điều khiển nhiệt độ lò hơi 44

Trang 7

Hình 3.11: Kết quả thí nghiệm hệ thống điều khiển nhiệt cho lò hơi 48

Hình 4.1: Cấu trúc bộ điều khiển mờ cơ bản 49

Hình 4.2: Phương pháp giải mờ cực đại 50

Hình 4.3: Giải mờ theo điểm trọng tâm 51

Hình 4.4: Bộ điều khiển mờ lai có khâu tiền xử lý mờ 56

Hình 4.5: Hệ mờ với bộ lọc mờ cho tín hiệu chủ đạo x 56

Hình 4.6: Cấu trúc hệ mờ lai Cascade 57

Hình 4.7: Chọn bộ điều khiển thích nghi bằng khóa mờ 57

Hình 4.7: Sự phân bố các hàm liên thuộc của đầu vào 58

Hình 4.8: Cấu trúc hệ điều khiển mờ lai 59

Hình 4.9: Đặc tính điều khiển nhiệt độ 59

Trang 8

PID Bộ điều khiển tỷ lệ, tích phân, vi phân

F-PID Bộ điều khiển mờ lai

PLC/DCS Bộ điều khiển logic mờ/ Bộ điều khiển phân tán

Trang 9

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đối với nhà máy nhiệt điện thì hệ thống điều chỉnh tự động đóng một vai trò then chốt trong quá trình sản điện năng Điều chỉnh tự động nhằm nâng cao hiệu suất của nhà máy bằng cách lựa chọn thông số của bộ điều chỉnh sao cho phù hợp, chế độ làm việc tối ưu của thiết bị theo thông số đã quy định Trong nhà máy nhiệt điện thì quá trình nhiệt đóng một vai trò chủ yếu Các quá trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện rất

đa dạng và luôn thay đổi do ảnh hưởng của nhiên liệu, của chất lượng nước, chế độ của không khí, đặc biệt là chế độ làm việc không ổn định của các thiết bị chịu nhiệt do vận hành lâu dài Do đó các thông số của công nghệ sẽ thay đổi trong một dải rộng, làm suy giảm hiệu suất của các thiết bị trong nhà máy so với thiết kế ban đầu Gây ra

sự cố dẫn đến hỏng hóc và phá huỷ thiết bị, làm cho chu trình nhiệt không thể thực hiện được ở chế độ bình thường Do đó vấn đề điều chỉnh các thông số của quá trình nhiệt trong nhà máy là hết sức quan trọng

Với sự phát triển của công nghệ tự động hóa điều khiển quá trình, với nền tảng cơ bản là thuật tóan điều khiển PID kinh điển, sau đó là các thuật tóan PID tự chỉnh, PID logic mờ, thuật toán điều khiển tối ưu… Xong việc nghiên cứu tìm hiểu các thuật toán điều khiển vẫn là đề tài nhiều người, nhiều ngành nghiên cứu và mang tính thời sự cao Điều này cho phép tìm hiểu cặn kẽ và chân thực bản chất của các thuật tóan ứng dụng trong điều khiển Tìm được ưu nhược điểm của nó để từ đó hạn chế được những mặt yếu và phát huy những mặt mạnh nhằm nâng cao chỉ tiêu chất lượng theo yêu cầu Xuất phát từ yêu cầu thực tế và của bản thân là nâng cao hiểu biết về điều khiển ổn định nhiệt độ phục vụ cho điều khiển nhiệt độ bộ phân sơn nhựa tại công ty Yamaha Đồng thời nhằm đóng góp thiết thực cho công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước nói chung và trong trong lĩnh vực điện tự động hóa nói riêng Đặc biệt với việc điều khiển bằng bộ điều khiển mờ lai là thiết bị điều khiển tự động trong đó gồm bộ điều khiển kinh điển và bộ điều khiển mờ đem lại nhiều thành tựu trong nhiều lĩnh vực Với đối tượng điều khiển là bình bao hơi trong các nhà máy nhiệt điện thì đã có những nghiên cứu ứng dụng điều khiển tự động mực nước bình bao hơi hay áp suất bình Tuy nhiên về phần ổn định nhiệt độ thì còn cần phải nghiên cứu nhằm cải thiện chất lượng điều khiển, điển hình là áp dụng bộ điều khiển mờ lai

Trang 10

Từ yêu cầu của thực tiễn đòi hỏi nâng cao chất lượng quá trình điều khiển cộng với sự tìm tòi nghiên cứu của mình và hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Như Hiển tôi

xin tiến hành nghiên cứu đề tài “Nâng cao chất lượng hệ thống điểu khiển ổn định nhiệt độ bình bao hơi bằng bộ điều khiển mờ lai”

2 Mục tiêu của luận văn

Cơ sở nghiên cứu hệ thống ổn định nhiệt độ bình bao hơi bằng bộ điều khiển kinh điển PID, qua khảo sát bằng mô phỏng và thực nghiệm chỉ ra được các hạn chế của

phương pháp điều khiển này

Để khắc phục các nhược điểm của bộ điều khiển kinh điển, dựa trên cơ sở logic mờ, luận văn đề xuất thiết kế bộ điều khiển thông minh sử dụng bộ điều khiển mờ lai Bước đầu tiến hành kiểm nghiệm bộ điều khiển mới bằng phần mềm mô phỏng trên Matlab - Simulink

3 Kết quả thực nghiệm của luận văn

Nghiên cứu hệ thống điều khiển nhiệt độ của lò hơi bằng lý thuyết và kiểm nghiệm bằng mô phỏng trong miền thời gian ảo là công việc trước đây của một luận văn cao học Ngày nay, yêu cầu học đi đôi với hành, lý luận gắn với thực tiễn, luận văn cao học cần được kiểm chứng bằng thực nghiệm trong miền thời gian thực Đây là một yêu cầu mới về nâng cao chất lượng đào tạo của nhà trường Việc áp dụng sáng tạo các mô hình thí nghiệm sẵn có của nhà trường vào công việc thực nghiệm của luận văn đã đạt kết quả tốt Kết quả thí nghiệm đã chứng tỏ rằng nghiên cứu hệ thống điều khiển nhiệt

độ của lò hơi của đề tài này bằng lý thuyết và mô phỏng còn có khoảng cách so với thực tế và nhờ có thí nghiệm nên có cơ sở vững chắc để điều chỉnh lại thông số bộ điều khiển đáp ứng yêu cầu của hệ thống và làm nền tảng cho thiết kế nâng cao chất lượng cho hệ thống

4 Nội dung luận văn

Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:

Chương 1: Nghiên cứu vê hệ thống lò hơi của nhà máy nhiệt điện

Chương 2: Mô tả toán học cho đối tượng nhiệt độ trong lò hơi nhà máy nhiệt điện Chương 3: Thiết kế điều khiển nhiệt độ cho lò hơi nhà máy nhiệt điện

Chương 4: Thiết kế điều khiển nhiệt độ cho lò hơi nhà máy nhiệt điện bằng bộ điều khiển mờ lai

Kết luận và kiến nghị

Trang 11

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG LÕ HƠI CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

1.1.1 Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện

Điện năng có một vị trí quan trọng đối với sự phát triển của con người Nó là nguồn năng lượng được con người tạo ra thông qua các thiết bị máy móc và nguồn năng lượng thiên nhiên khác

Tùy theo loại năng lượng sử dụng mà người ta chia ra các loại nhà máy điện chính như: nhà máy nhiệt điện, nhà máy thủy điện, nhà máy điện nguyên tử, ngoài ra còn khai thác các nguồn năng lượng khác để sản xuất điện năng như nguồn năng lượng mặt trời, sức gió nhưng với quy mô nhỏ hơn

Hiện nay trên thế giới và ở cả nước ta các nhà máy nhiệt điện vẫn tiếp tục được xây dựng và không ngừng được hiện đại hóa về kỹ thuật và công nghệ nhằm khai thác tối đa về công suất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Các nguồn nhiên liệu khai thác từ thiên nhiên như than đá, dầu mỏ và khí dầu mỏ được sử dụng để tạo nhiệt năng cho các nhà máy nhiệt điện

Hiện nay có hai loại hình nhà máy nhiệt điện cơ bản: nhà máy nhiệt điện tuabin hơi và nhà máy nhiệt điện tuabin khí

Với nhà máy nhiệt điện tuabin hơi

Các nhiên liệu hữu cơ chủ yếu là than bột được đốt trong lò hơi tạo nhiệt làm hóa hơi nước trong các giàn ống sinh hơi, hơi sinh ra được vận chuyển qua các hệ thống phân ly, quá nhiệt,… để đảm bảo nhiệt độ, áp suất, lưu lượng cần thiết cho việc sinh công tốt nhất phù hợp với yêu cầu kĩ thuật và công suất thiết kế Sau đó hơi (bão hòa) được đưa vào các tầng cánh tuabin để sinh công tạo mômen quay hệ thống máy phát được nối đồng trục với tuabin Sau khi qua tuabin hơi nước được thu hồi tuần hoàn lại

Với nhà máy nhiệt điện tuabin khí

Không khí ngoài trời sau khi được làm sạch, loại bỏ hơi nước được hệ thống ống dẫn đưa vào một máy nén khí để nâng áp suất của khí lên Khí có áp suất cao được đưa vào buồng đốt và được đốt với nhiên liệu (thường là khí gas) Chất khí sau khi đốt có nhiệt độ và áp suất cao được đưa vào các tầng tuabin khí để sinh công Tuabin quay làm quay máy phát điện và ở đầu cực của máy phát ta cũng thu được năng lượng dưới dạng điện năng

Trang 12

1.1.2 Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện

Nước ngưng từ các bình ngưng tụ được bơm ngưng bơm vào các bình gia nhiệt

hạ áp Tại đây, nước ngưng được gia nhiệt bởi hơi nước trích ra từ các cửa trích hơi qua tuabin Sau khi đi qua các bộ gia nhiệt hạ áp, nước ngưng được đưa lên bình khử khí để khử hết các bọt khí có trong nước, chống ăn mòn kim loại Nước sau khi được khử khí, được các bơm cấp nước đưa qua các bình gia nhiệt cao áp để tiếp tục được gia nhiệt bởi hơi nước trích ra từ các cửa trích hơi ở xilanh cao áp của tuabin Sau khi được gia nhiệt ở gia nhiệt cao áp, nước được đưa qua bộ hâm nước ở đuôi lò rồi vào bao hơi

Nước ở bao hơi theo vòng tuần hoàn tự nhiên chảy xuống các giàn ống sinh hơi, nhận nhiệt năng từ buồng đốt của lò biến thành hơi nước và trở về bao hơi Trong bao hơi phần trên là hơi bão hòa ẩm, phía dưới là nước ngưng

Hơi bão hòa ẩm trong bao hơi không được đưa ngay vào tuabin mà được đưa qua các bộ sấy hơi, tại đây hơi được sấy khô thành hơi quá nhiệt, rồi được đưa vào tuabin Tại tuabin, động năng của dòng hơi được biến thành cơ năng quay trục hệ thống Tuabin-Máy phát Hơi sau khi sinh công ở các tầng cánh của tuabin được ngưng tụ thành nước ở bình ngưng tụ Công do tuabin sinh ra làm quay máy phát điện Như vậy, nhiệt năng của nhiên liệu đã biến đổi thành cơ năng và điện năng, còn hơi nước

là môi chất trung gian được biến đổi theo một vòng tuần hoàn kín

Điện năng

Hơi ngưng

tụ

Hình 1.1: Sơ đồ vòng tuần hoàn kín hơi nước trong nhà máy nhiệt điện

Trang 13

1.1.3 Lò hơi nhà máy nhiệt điện

a Sơ lược về lò hơi

- Nhiệm vụ của lò hơi

Trong nhà máy nhiệt điện, lò hơi là thiết bị lớn nhất và vận hành phức tạp nhất

Nó có trình độ cơ khí hóa và tự động hóa khá cao, làm việc đảm bảo và hiệu suất cũng tương đối cao Lò hơi có các nhiệm vụ chính sau:

+ Chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu hữu cơ như than đá, dầu mỏ, khí đốt,… thành điện năng

+ Truyền nhiệt năng sinh ra cho môi chất tải nhiệt hoặc môi chất để đưa chúng từ thể lỏng có nhiệt độ thông thường lên nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ sôi, biến thành hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt

Quá trình truyền nhiệt từ sản phẩm cháy cho môi chất được thực hiện nhờ các dạng trao đổi nhiệt: bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt Hiệu quả của các dạng này phụ thuộc vào tính chất vật lý của môi trường, môi chất tham gia và phụ thuộc vào hình dạng của lò hơi và các thiết bị có trong lò hơi

1 Buồng đốt nhiên liệu 12 Quạt gió

2 Bơm cấp 13 Thùng nghiền than

3 Bộ hâm nóng nước 14 Bộ sấy không khí

4 Đường ống dẫn nước vào bao hơi (balông) 15 Vòi phun nhiên liệu

6 Dàn ống nước xuống 17 Đường khói thải

7 Dàn ống dẫn nước lên 18 Bộ khử bụi khói

8 Dãy Pheston cùng với bao hơi tạo thành

vòng tuần hoàn tự nhiên của nước và hơi

19 Quạt

9 Đường ống dẫn hơi bão hoà tới bộ quá

nhiệt

20 Ống khói

10 Bộ quá nhiệt 21 Phễu đựng tro bay

11 Van hơi chính đặt trên đường ống dẫn hơi tới

turbine

Trang 14

Trên hình 1.2 là lò hơi có bao hơi đốt phun, đây là loại lò hơi dùng phổ biến hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện ở nước ta và trên thế giới, công suất của lò tương đối lớn Lò hơi gồm các bộ phận chính như bảng 1.1

- Các thông số cơ bản của lò hơi

+ Sản lượng hơi D: sản lượng hơi là lượng hơi sản xuất ra trong một đơn vị thời gian, tính bằng T/giờ, kg/giờ hay kg/giây

+ Thông số hơi: với lò sản xuất hơi quá nhiệt đó là áp suất, nhiệt độ của hơi sau bộ quá nhiệt, còn với lò sản xuất hơi bão hòa thì chỉ cần biểu thị nhiệt độ hoặc áp suất trong bao hơi

+ Hiệu suất lò hơi: hiệu suất lò hơi tỉ lệ giữa năng lượng có ích, sử dụng được với tổng năng lượng đưa vào Năng lượng có ích ở đây là năng lượng dùng để sản xuất

Hình 1.2: Sơ đồ cấu tạo của lò hơi có bao hơi

Trang 15

hơi quá nhiệt còn năng lượng đưa vào là nhiệt do đốt nhiên liệu tỏa ra Người ta thường dùng hai loại hiệu suất thô và hiệu suất tinh

i i hi

D i Q

Qtd – lượng nhiệt tự dùng cho bản thân lò hơi

B – lượng nhiên liệu tiêu thụ

Qtlv – nhiệt trị thấp làm việc, tức là nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn 1kg hoặc 1m3

mẫu nhiên liệu ở điều kiện làm việc bình thường mà nước trong sản phẩm cháy ở dạng hơi

b Các hệ thống điều chỉnh trong lò hơi nhà máy nhiệt điện

Vận hành lò hơi là một công việc thao tác điều khiển phức tạp Quá trình vận hành lò hơi không tách khỏi quá trình vận hành chung toàn nhà máy Mỗi một sự thay đổi của một khâu nào đó trong nhà máy đều dẫn đến sự thay đổi chế độ vận hành của

lò hơi và đòi hỏi các thao tác điều khiển lò tương ứng

Nhiệm vụ của công tác vận hành lò hơi là đảm bảo sao cho lò hơi làm việc ở trạng thái kinh tế nhất, an toàn nhất trong một thời gian lâu dài Cụ thể không những trong quá trình vận hành lò hơi không để xảy ra sự cố mà còn phải bảo đảm lò làm việc có hiệu suất cao nhất và tương ứng là lượng than tiêu hao để sản xuất 1kg hơi là nhỏ nhất Các thông số của lò hơi như áp suất hơi trong bao hơi hoặc ở ống góp hơi chung, nhiệt độ hơi quá nhiệt, mức nước trong bao hơi, hệ số không khí thừa, chân không buồng lửa, hàm lượng muối trong nước cấp lò hơi và trong bao hơi… phải được giữ cố định và chỉ được phép thay đổi trong một phạm vi giới hạn cho phép tương đối nghiêm khắc

Trang 16

Ví dụ: giới hạn cho phép về độ thay đổi của nhiệt độ hơi quá nhiệt ở các lò trung

áp là 150C Lò hơi có áp suất và nhiệt độ hơi càng cao thì giới hạn cho phép này càng giảm

Giới hạn cho phép về thay đổi mức nước là 75 100mm

Việc tự động hóa lò hơi chủ yếu tập trung vào vấn đề điều khiển tự động các quá trình trong lò để đảm bảo cho lò làm việc ổn định và kinh tế nhất bằng cách điều chỉnh năm quan hệ: phụ tải-nhiên liệu, phụ tải-không khí, phụ tải-khói thải, phụ tải-mức nước bao hơi và phụ tải-xả liên tục

Do nhiệt độ hơi quá nhiệt phụ thuộc rất ít đến phụ tải lò hơi nên việc điều chỉnh

nó được thực hiện độc lập chủ yếu bằng các bộ giảm ôn hỗn hợp

Từ những chỉ tiêu đặt ra, hệ thống điều khiển lò hơi phải được cấu thành từ một

số bộ điều chỉnh tương đối độc lập với nhau gồm: Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi, hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt, hệ thống điều chỉnh quá trình cháy,

hệ thống điều chỉnh mức nước

- Hệ thống điều chỉnh quá trình cháy

Quá trình cháy có ảnh hưởng rất lớn đến chế độ vận hành an toàn của lò hơi cũng như hiệu suất của nhà máy Nhiệm vụ của việc điều chỉnh quá trình cháy là:

+ Đảm bảo thông số hơi ổn định, đặc biệt là áp suất Áp suất ổn định chứng tỏ lượng hơi sinh ra và lượng hơi tiêu thụ cân bằng nhau Áp suất giảm chứng tỏ lượng hơi tiêu thụ nhiều hơn, cần phải tăng thêm nhiên liệu để sản lượng hơi nhiều hơn Khi

áp suất tăng thì ngược lại

+ Đảm bảo quá trình cháy tốt nhất, nghĩa là điều chỉnh lượng gió cấp đảm bảo

hệ số không khí thừa kinh tế phù hợp với từng loại nhiên liệu

+ Đảm bảo chế độ thông gió cân bằng, đảm bảo áp suất phù hợp trên đường ống dẫn gió và dẫn khói

Quá trình cháy của nhiên liệu trong buồng lửa phụ thuộc rất nhiều yếu tố như tính chất của nhiên liệu, nồng độ bột than, nhiệt độ và tốc độ của hỗn hợp không khí-nhiên liệu, chế độ vận hành của lò hơi, chế độ cấp không khí

Trang 17

Các phương pháp điều chỉnh quá trình cháy gồm: điều chỉnh độ kinh tế quá trình cháy và điều chỉnh áp suất chân không buồng đốt

Khi lượng nhiên liệu thay đổi thì đồng thời cũng tác động lên bộ điều chỉnh không khí để điều chỉnh lượng không khí cho phù hợp với chế độ kinh tế nhất Sơ đồ điều chỉnh loại này gọi là sơ đồ tác động theo nguyên tắc “nhiệt-nhiên liệu” Bộ điều chỉnh này được gọi là bộ điều chỉnh phụ tải nhiệt Bộ điều chỉnh phụ tải nhiệt duy trì

ổn định sản lượng hơi của lò ứng với giá trị yêu cầu hoặc do bộ điều chỉnh áp suất hơi chính tự động đặt

Sự thay đổi sản lượng hơi của lò có nhiều nguyên nhân như: sự thay đổi độ ẩm và nhiệt trị của than, nhiệt độ nước cấp, độ lọt không khí lạnh, sự biến động bất kỳ của nhiên liệu Những thay đổi đó được phản ánh lên xung phụ tải nhiệt của bộ điều chỉnh

và bộ điều chỉnh bằng việc tác động lên hệ thống cấp than vào lò để duy trì lượng hơi

đã định trị Với lò phun đốt than bột, bộ điều chỉnh nhiên liệu sẽ tác động lên máy cung cấp than bột để điều chỉnh lượng bột than phun vào

- Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi

Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi là một trong những khâu quan trọng của

hệ thống điều chỉnh lò hơi Nhiệm vụ của hệ thống này là đảm bảo tương quan giữa lượng nước đưa vào lò hơi và lượng hơi sinh ra Khi tương quan này bị phá vỡ thì mức nước trong bao hơi sẽ không cố định Mức nước thay đổi sẽ dẫn tới sự cố ở tuabin hay lò hơi Nếu mức nước bao hơi lớn quá giá trị cho phép sẽ làm giảm năng suất bốc hơi của bao hơi, giảm nhiệt độ hơi quá nhiệt ảnh hưởng đến sự vận hành của

Trang 18

tuabin Nếu mức nước bao hơi quá thấp so với giá trị cho phép làm tăng nhiệt độ hơi quá nhiệt, có thể gây nổ hệ thống ống sinh hơi

Tương quan giữa lưu lượng hơi và nước cấp bị phá vỡ do nhiều nguyên nhân gây

ra như lưu lượng hơi, lưu lượng nước cấp, nhiệt độ nước cấp, nhiệt lượng than tỏa ra trong buồng đốt…

+ Lưu lượng hơi: khi lượng hơi sang tuabin tăng thì mức nước trong bao hơi giảm và ngược lại

+ Lưu lượng nước cấp: khi lưu lượng nước cấp vào lò tăng thì mức nước trong bao hơi cũng tăng

+ Quá trình cháy: khi lượng nhiệt cấp cho lò hơi thay đổi thì mức nước trong bao hơi cũng thay đổi theo

Khi lò hơi đang vận hành bình thường, nếu lượng nhiệt cấp cho lò tăng lên (tăng lượng nhiên liệu cho quá trình cháy) thì trong thời gian khoảng 30s, mức nước sẽ tăng đột ngột lên do tăng hàm lượng hơi trong hệ thống đột ngột, hiện tượng này gọi là hiện tượng sôi bồng Sau thời gian này nếu lượng nhiệt cấp cho lò vẫn tăng thì mức nước trong bao hơi lại bắt đầu giảm dần do lượng nước hóa hơi tăng lên Khi giảm lượng than cấp cho lò thì mức nước bao hơi sẽ thay đổi theo chiều ngược lại, lúc này lượng nước hóa hơi ít đi dẫn đến mức nước bao hơi tăng lên

+ Áp suất trong bao hơi: khi áp suất trong bao hơi thay đổi thì mức nước bao hơi thay đổi theo quan hệ nghịch Nếu áp suất tăng thì mức nước bao hơi giảm và nếu

áp suất giảm thì mức nước bao hơi sẽ tăng

Khi áp suất tăng, một bộ phận hơi trong hỗn hợp nước sẽ ngưng tụ dẫn đến mức nước giảm xuống Đồng thời, khi tăng áp lực hơi thì thể tích hơi của lò cũng giảm, làm mức nước giảm Ngược lại khi áp suất giảm thì dẫn đến mức nước trong bao hơi tăng

Các phương pháp điều chỉnh mức nước bao hơi: việc điều khiển mức nước bao hơi có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhay tùy theo loại lò Thông thường sử dụng ba sơ đồ là sơ đồ một tín hiệu, hai tín hiệu và ba tín hiệu

Trang 19

- Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt

Nhiệt độ hơi quá nhiệt là một trong số những chỉ tiêu cơ bản của lò hơi Trong quá trình làm việc của lò nó không được giữ cố định mà luôn luôn thay đổi Nguyên nhân gây nên sự thay đổi của nhiệt độ hơi quá nhiệt là do chế độ làm việc của lò hơi thay đổi

Những sự thay đổi của nhiệt độ hơi quá nhiệt nếu không được điều chỉnh sẽ ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu kinh tế cũng như kĩ thuật của lò và nhà máy

Việc giảm nhiệt độ hơi quá nhiệt sẽ làm giảm hiệu suất chu trình nhiệt và ảnh hưởng xấu đến điều kiện làm việc của tuabin do độ ẩm của hơi ở các tầng cuối tăng lên Việc tăng nhiệt độ hơi quá nhiệt quá trị số cho phép sẽ làm giảm điều kiện sức bền của kim loại ống

Vì vậy phải tìm các biện pháp duy trì nhiệt độ hơi quá nhiệt cố định ngay cả khi các chế độ làm việc của lò thay đổi Những biện pháp này gọi là biện pháp điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt Thông thường nhiệt độ hơi quá nhiệt chỉ cho phép sai lệch +100C và -150C

Việc sử dụng bộ quá nhiệt cũng có tác dụng điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt Nếu tỉ lệ hấp thụ nhiệt hợp lí giữa các phần bức xạ và đối lưu thì trong nhiều trường hợp khi chế độ làm việc của lò thay đổi thì nhiệt độ hơi quá nhiệt cũng không thay đổi Với bộ quá nhiệt, khi tăng phụ tải, nhiệt lượng hấp thu trong phần đối lưu tăng lên trong khi phần bức xạ hầu như không tăng do nhiệt độ cháy lí thuyết hầu như tăng rất ít

Có hai phương pháp chủ yếu dùng để điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt là điều chỉnh bằng hơi và điều chỉnh bằng khói

Trang 20

1.2 NGHIÊN CỨU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT BÌNH BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

1.2.1 Đặt vấn đề

Vai trò của nhiệt độ hơi quá nhiệt giữ một vai trò cực kỳ quan trọng, nó đảm bảo cho đặc tính và hiệu suất của chu trình nhiệt Nếu nhiệt độ hơi quá nhiệt thấp sẽ làm cho các tầng cánh phía sau của tua bin làm việc với hiệu suất thấp Nếu thấp quá so với mức quy định thì các tầng cánh cuối cùng của tua bin sẽ bị ẩm (gây hỏng các tầng cánh của tua bin) Nếu nhiệt độ hơi quá nhiệt tăng cao thì hiệu suất của chu trình sẽ được tăng cao Nếu nhiệt độ hơi quá nhiệt tăng cao quá so với quy định sẽ gây lên các dàn ống sẽ bị suy giảm về độ bền Do vậy phải có hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt để đảm bảo cho chu trình nhiệt làm việc ổn định, lâu dài

Vì một lý do nào đó nhiệt độ hơi quá nhiệt tăng lên quá mức cho phép 535±5 o

C thì bộ cảm biến nhiệt độ này và đưa tới bộ điều chỉnh và so sánh với giá trị đặt là 535±5 oC thì bộ điều chỉnh đưa ra tín hiệu tác động tới cơ quan điều chỉnh là van cấp nước giảm ôn, để mở van cấp nước phun vào hơi làm cho nhiệt độ hơi giảm đi Nếu nhiệt độ hơi sau khi phun nước giảm ôn ở đầu ra đưa tới tua bin vẫn chưa về giá trị quy định thì thiết bị đo cảm nhận được và chuyển đổi thành tín hiệu điện chuẩn đưa tới bộ điều khiển để bộ điều khiển so sánh với giá trị đặt và bộ điều chỉnh tiếp tục tác động vào cơ cấu chấp hành, tới cơ quan điều chỉnh là van để mở tiếp tục cho nước giảm ôn vào phun hoà trộn với hơi quá nhiệt Quá trình cứ như vậy đến khi nào tín hiệu so sánh giữa giá trị đặt và giá trị nhiệt độ của bộ cảm biến đưa về khi chuyển đổi thành tín hiệu điện quy chuẩn là bằng không, thì quá trình điều khiển kết thúc

Cụ thể như nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 là nhà máy bố trí theo sơ đồ 2 khối: 1 lò tương ứng 1 máy Bộ quá nhiệt của lò hơi Phả Lại 2 được chia làm 3 cấp chính: cấp 1, cấp 2 và cấp 3 Việc điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt 1 khối được thực hiện bởi 4 bộ giảm ôn nhánh A và B, 2 bộ đặt giữ bộ quá nhiệt cấp 1 và cấp 2, 2 bộ còn lại đặt giữa

bộ quá nhiệt cấp 2 và cấp 3 Đây là bộ giảm ôn kiểu phun, phạm vi điều chỉnh nhiệt

độ là: 6o

C Nguồn nước làm lạnh là nước cấp vào lò (trước cụm van nước cấp) Lưu lượng nước giảm ôn lớn nhất cho mỗi bộ giảm ôn là 20,55 t/h, nhiệt độ nước giảm ôn khoảng 259oC bằng nhiệt độ nước cấp

Trang 21

Trong hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt, đại lượng ra là nhiệt độ hơi quá nhiệt Khi nhiệt độ hơi quá nhiệt thay đổi, bộ điều chỉnh nhận tín hiệu đó và tác động lên van điều chỉnh thay đổi lượng nước làm mát đi vào bình giảm ôn Tác động điều chỉnh là độ đóng mở van điều chỉnh

Bộ điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt tác động lên van điều chỉnh lưu lượng nước giảm ôn để duy trì nhiệt độ hơi chính sau lò nằm trong dải định mức…

Bộ quá nhiệt bố trí làm 3 cấp, 2 nhánh xen kẽ là các hệ thống nước phun giảm ôn mục đích duy trì nhiệt độ hơi quá nhiệt đồng đều trước khi vào tuabin và tránh giãn

nở ống

Vì bộ quá nhiệt có 3 cấp với 4 van phun giảm ôn 1 khối, không làm mất tính tổng quát, ở đây ta chỉ tổng hợp đại diện 1 bộ điều chỉnh Đó là bộ điều chỉnh van nước phun giảm ôn cho bộ quá nhiệt cuối ở 1 nhánh

1.2.2 Bộ quá nhiệt và các thiết bị liên quan trong hệ thống

a Mô tả chung

Bộ quá nhiệt của lò hơi thuộc loại nửa bức xạ, nửa đối lưu Theo đường hơi ra,

bộ quá nhiệt bao gồm các bề mặt chịu nhiệt sau đây:

- Dàn quá nhiệt trần

- Bộ quá nhiệt hộp

- Vách phân cách đầu vào bộ quá nhiệt cấp 1

- Bộ quá nhiệt cấp 1

- Bộ quá nhiệt cấp 2 (quá nhiệt mành)

- Bộ quá nhiệt cuối cùng

b Giảm ôn ở nhà máy điện

Thực tế nếu không có sự điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt thì nhiệt độ hơi quá nhiệt sẽ lớn hơn nhiệt độ yêu cầu, do đó quá trình điều chỉnh thực chất là giảm nhiệt

độ hơi quá nhiệt xuống Vì vậy người ta dùng các bộ giảm ôn để điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt

Trang 22

- Phương pháp bố trí

+ Khi đặt bộ giảm ôn ở cuối thì thời gian điều chỉnh nhanh chóng nhưng có 1 đoạn ống phải chịu nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ yêu cầu làm ảnh hưởng đến sự làm việc của bộ quá nhiệt

+ Nếu đặt bộ giảm ôn ngay đầu vào: Ưu điểm là bảo vệ được bộ quá nhiệt, nhược điểm là quán tính của quá trình điều chỉnh lớn, gây ra chậm trễ, suy ra chất lượng quá trình điều chỉnh không tốt Mặt khác nếu phun nhiều quá gây ra hiện tượng ngưng tụ trong bộ quá nhiệt

+ Vì vậy ta đặt bộ giảm ôn ngay lúc nhiệt độ quá nhiệt lên đến thời gian yêu cầu, tức là đặt ở giữa

Hình 1.3: Sơ đồ bố trí bộ quá nhiệt

Trang 23

+ Ở nhà máy Phả Lại 2 dùng nhiều bộ giảm ôn

c Phân loại

- Giảm ôn bề mặt

Điều chỉnh lượng nước đi vào bộ giảm ôn tức là bộ điều chỉnh tác động vào van 4 nhưng khi thay đổi độ mở van 4 thì áp suất sau 2 van thay đổi, gây trở lực làm thay đổi lượng nước vào lò, ảnh hưởng đến điều kiện cấp nước giữa lượng nước điều chỉnh

và nước cấp ảnh hưởng lẫn nhau Thường để điều chỉnh ∆T= 15 ÷ 20oC suy ra

∆W=30 ÷ 40% W Quán tính quá trình điều chỉnh lớn, chất lượng điều chỉnh kém

- Giảm ôn hỗn hợp

Hình 1.5: Bố trí bộ giảm ôn ở đầu

vào

Hình 1.6 : Giảm ôn bề mặt Hình 1.4: Bố trí bộ giảm ôn ở cuối

Trang 24

Thường phun 5 ÷ 6% Dmax điều chỉnh được T= 50 ÷ 60oC (vòng nhỏ làm giảm thời gian điều chỉnh) Sơ đồ này nói chung có đặc tính động tốt nên hay dùng, tách hẳn

2 hệ thống nước cấp và nhiệt độ hơi quá nhiệt

Do dùng nước phun thẳng vào bộ quá nhiệt nên chất lượng nước phải cao và phải thêm bình ngưng phụ

Nếu áp lực không đủ đưa nước vào thì sử dụng các bơm phụ (thường chiếm 10%

so với công suất cực đại của lò)

d Các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ hơi quá nhiệt

Hơi bão hòa sau khi ra khỏi bao hơi sẽ được đưa tới các bộ quá nhiệt, tại đây hơi được nâng lên tới nhiệt độ rất cao (khoảng 5410C) và trở thành hơi quá nhiệt

Có nhiều nhân tố dẫn tới sự thay đổi nhiệt độ hơi quá nhiệt là:

Thay đổi phụ tải lò hơi

Sự dao động áp suất trong đường hơi chung

Sự thay đổi của chất lượng nhiên liệu

Thay đổi nhiệt độ nước cấp

Thay đổi hệ số không khí thừa

Đóng xỉ dạng ống bức xạ dãy feston

Bám bẩn các bề mặt đốt do máy cấp bột than làm việc không đều

Do hiện tượng cháy lại trong vùng bộ quá nhiệt…

Thực tế các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ hơi quá nhiệt còn gọi là các chấn động Chấn động bên trong là sự thay đổi nhiệt độ và áp suất của nước làm mát Những yếu tố làm ảnh hưởng đến nhiệt độ hơi quá nhiệt, ví dụ như: thay đổi phụ tải

lò hơi, thay đổi lưu lượng hơi, nhiệt độ nước cấp, sự dao động áp suất trong đường hơi chung, sự thay đổi của chất lượng nhiên liệu nhiệt lượng tỏa ra trong buồng đốt,

sự thay đổi hệ số truyền nhiệt, hệ số không khí thừa, bám bẩn các bề mặt đốt do máy cấp bột than làm việc không đều, do hiện tượng cháy lại trong vùng bộ quá nhiệt, đóng xỉ dạng ống bức xạ dãy feston… là các chấn động bên ngoài

Ta có thể đứng trên góc độ đặc tính của lò để xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ hơi quá nhiệt

Đặc tính tĩnh: Quan hệ nhiệt độ quá nhiệt với các thông số khác ở chế độ xác lập Ảnh hưởng của phụ tải đến nhiệt độ hơi quá nhiệt

Trang 25

D thay đổi (tăng) suy ra nhiệt độ hơi quá nhiệt thay đổi (tăng) (nếu bộ quá nhiệt đối lưu hoàn toàn)

Còn ở bộ quá nhiệt bức xạ hoàn toàn thì D thay đổi (tăng) dẫn tới nhiệt độ hơi quá nhiệt giảm

Vậy ra kết hợp khéo léo giữa bộ quá nhiệt bức xạ và đối lưu thì ra khử được ảnh hưởng của phụ tải đến nhiệt độ hơi quá nhiệt

Ảnh hưởng của sự bám cáu xỉ đến nhiệt độ hơi quá nhiệt

Có đóng xỉ thì nhiệt độ hơi quá nhiệt tăng

Ảnh hưởng của nhiệt độ nước cấp

Nhiệt độ nước cấp giảm thì D giảm nếu cường độ hấp thụ bộ quá nhiệt không đổi thì nhiệt độ hơi quá nhiệt giảm

Ảnh hưởng của hệ số không khí thừa

Giống phụ tải tùy thuộc vào bộ quá nhiệt là đối lưu hay bức xạ

Ảnh hưởng của than

Than mịn thì nhiệt độ hơi quá nhiệt nhỏ

Than thô thì ngọn lửa cao, nhiệt độ hơi quá nhiệt tăng

Ảnh hưởng của phân ly hơi

Làm việc kém suy ra nhiệt độ hơi quá nhiệt giảm

Vậy khi thay đổi:

Nhiệt hàm của hơi

Lượng nhiệt của nó hấp thụ

Lưu lượng hơi

Hình 1.7 : Ảnh hưởng phụ tải đến nhiệt độ hơi quá nhiệt

Trang 26

Thì nhiệt độ hơi quá nhiệt thay đổi

Đặc tính động: Chính là sự thay đổi theo thời gian của nhiệt độ khi có các nhiễu P thay đổi, Q(t) thay đổi

Tức là sự thay đổi nhiệt hàm của hơi và nhiệt độ hơi quá nhiệt theo thời gian Suy

ra nhiệt độ hơi quá nhiệt thay đổi theo hình vẽ bên Khi chấn động đầu vào là lượng nhiệt mà bộ quá nhiệt hấp thụ được đặc tính có dạng sau:

Tô giảm nhiệt từ 10 đến 15s (thực chất độ quán tính này không phải là của bộ quá nhiệt mà là của quá trình)

Khi D thay đổi theo thời gian ta không xét vì không thể sử dụng nó để điều chỉnh

vì D là đại lượng do tuabin quyết định

e Các phương pháp điều chỉnh nhiệt đô hơi quá nhiệt ở nhà máy

Nhiệt độ hơi quá nhiệt là một trong những chỉ tiêu rất quan trọng của lò hơi Nhiệt độ hơi quá nhiệt luôn được điều chỉnh ở 1 giá trị không đổi khi tải lò thay đổi Điều khiển để giữ nhiệt độ hơi quá nhiệt không đổi ở mọi tải lò để:

Cải thiện hiệu quả của chuyển đổi từ nhiệt năng thành cơ năng

Tránh sự dãn nở hay co lại của các vật liệu kim loại khi nhiệt độ thay đổi

Đảm bảo chất lượng hơi trước khi đưa vào tuabin

Nhiệt truyền cho hơi bão hòa để trở thành hơi quá nhiệt bằng phương pháp bức xạ hay đối lưu, tùy thuộc dàn ống quá nhiệt đặt trong hay ngoài buồng lửa Đối với quá nhiệt do bức xạ thì nhiệt độ hơi tăng khi lưu lượng hơi ra giảm, ngược lại đối với quá nhiệt do đối lưu nhiệt truyền sẽ tăng khi lưu lượng hơi ra tăng Nhưng tốc độ tăng

Hình 1.8: Đặc tính động của hơi quá nhiệt nhiệt

Trang 27

nhiệt độ sẽ giảm bớt khi lưu lượng hơi ra tiếp tục tăng lên Khi nhiệt độ hơi quá nhiệt không được điều khiển thì nhiệt độ sẽ cao nhất khi tải lò lớn nhất, và khi tải giảm thì nhiệt độ sẽ giảm

Như vậy khi không điều khiển, nhiệt độ hơi quá nhiệt sẽ dao động trong 1 dải rất lớn khi tải lò thay đổi Khi thay đổi loại than đốt thì nhiệt độ ngọn lửa thay đổi dẫn đến sự thay đổi quá trình hấp thụ nhiệt trong buồng lửa, do vậy nhiệt độ khói thoát thay đổi Và quá trình trao đổi nhiệt của khói và hơi cũng thay đổi, dẫn đến nhiệt độ hơi thay đổi

Để điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt có 2 phương pháp

Điều chỉnh trao đổi nhiệt giữa khói cháy và hơi

Điều khiển van nước phun giảm ôn

f Điều chỉnh trao đổi nhiệt giữa khói cháy và hơi

Thực tế thực hiện phương pháp này ta dùng các cơ cấu điều chỉnh thay đổi góc đặt của vòi đốt, vì thế thay đổi được nhiệt hấp thụ trong lò hơi, nhiệt độ khói sẽ thay đổi, sự trao đổi nhiệt giữa khói và hơi cũng thay đổi Nhờ đó mà điều chỉnh được quá trình trao đổi nhiệt năng giữa hơi và khói cháy tại bộ quá nhiệt, trao đổi với nước trong giàn sinh nhiệt Trong hệ thống điều khiển này thường dùng hệ thống cơ điện khí, các cơ cấu chấp hành để điều khiển Các cơ cấu này thường có liên động với hệ thống điều khiển tỉ lệ cháy và hệ thống cấp nước.Với mỗi loại lò hơi khác nhau sẽ quan tâm tới các thông số như nhiệt độ cháy nhiên liệu, khối lượng nhiên liệu hay cả

2 thông số trên để điều khiển nhiệt độ hơi

Tương tự, ta có thể dùng cơ cấu thay đổi hướng phun nhiên liệu vào buồng lửa và đốt cháy Theo phương pháp này có 2 cách điều chỉnh Một là lửa sẽ được tập trung tiếp tuyến với các vòng tròn ảo ở tâm của lò tạo ra các vòng cầu lửa như trên Hai là giữ cố định các giàn phun nhiên liệu nhưng thay đổi tỉ lệ nhiên liệu giữa các giàn phun đó tạo quá trình cháy tập trung nhiệt vào các vị trí khác nhau như Cũng có thể điều chỉnh cánh hướng các quạt hút và đẩy gió cháy, thay đổi lưu lượng khói cháy, nâng cao nhiệt độ nước… các hệ thống này có thể được sử dụng đơn lẻ để điều khiển hoặc được sủ dụng phối hợp với nhau

Ngoài ra có thể điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt bởi việc điều khiển các cánh hướng đi tắt của khói Khi cần giảm nhiệt độ thì các cánh hướng đi tắt của khói được

Trang 28

mở thêm và lượng khói trao đổi nhiệt với hơi sẽ giảm, do vậy nhiệt độ hơi quá nhiệt giảm

Với phương pháp điều khiển này thì mỗi cách điều khiển khác nhau thì có đặc tính điều khiển nhiệt độ riêng Quán tính của quá trình nhiệt là lớn, tác động của phương pháp điều chỉnh khá chậm, hằng số thời gian cỡ vài phút Để có thể tác động nhanh hơn, người ta thường dùng tới phương pháp điều chỉnh nhiệt độ hơi bằng phương pháp điều khiển van phun nước giảm ôn

Nước dạng sương mù được phun trực tiếp vào hơi, các hạt nước được phun thành bụi nhỏ hỗn hợp với hơi quá nhiệt và bốc thành hơi Như vậy bằng cách phun nước vào hơi cũng làm giảm nhiệt độ của hơi quá nhiệt Khi nhiệt độ hơi quá nhiệt tăng, van được điều chỉnh mở thêm để tăng lượng nước vào hơi quá nhiệt do vậy nhiệt độ hơi sẽ giảm Ngược lại khi nhiệt độ hơi quá nhiệt giảm, van khép bớt lại làm giảm lượng nước phun vào hơi quá nhiệt nhiệt độ hơi sẽ tăng

Hình 1.9 : Điều chỉnh nhiệt độ hơi dùng cơ cấu điều

chỉnh góc phun nhiên liệu nhiệt

Hình 1.10 : Điều chỉnh nhiệt độ hơi dùng cơ cấu điều chỉnh lưu

lượng giữa các ống phun nhiên liệu

Trang 29

g Điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt dùng phương pháp điều khiển van phun nước giảm ôn

Trước khi hơi được đưa vào tuabin, hơi quá nhiệt sẽ được điều chỉnh để giữ ổn định ở một giá trị mong muốn Thiết bị điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt là van phun nước giảm ôn Tùy vào từng hệ thống lò hơi khác nhau mà người thiết kế đưa ra các chiến lược điều khiển nhiệt độ hơi cho phù hợp Nếu lưu lượng hơi được giữ cố định

ta có thể dùng hệ thống điều khiển một vòng điều chỉnh nhiệt độ Với trường hợp cần

có lưu lượng hơi thay đổi ta có nhiều phương án điều khiển được lựa chọn như: điều khiển feedforward, điều khiển 2 mạch vòng hoặc kết hợp cả 2 phương pháp trên Yêu cầu đặt ra đối với hệ điều khiển là giữ nhiệt độ hơi tại 1 giá trị cố định, với sai lệch

Hệ thống điều khiển van phun nước giảm ôn được phối hợp với cơ cấu điều chỉnh các ống phun nhiên liệu, do vậy có sự liên quan chặt chẽ giữa tỉ lệ lưu lượng gió và tín

hiệu điều khiển van giảm ôn

- Điều khiển hơi quá nhiệt với 2 vòng điều chỉnh nhiệt độ:

Trang 30

Sơ đồ cấu trúc điều khiển như sau:

Trong sơ đồ biểu diễn trên hình 1.11 là một hệ thống điều khiển nối tầng 2 bộ điều khiển: bộ điều khiển sơ cấp và bộ điều khiển thứ cấp Bộ điều khiển sơ cấp là bộ điều khiển mạch vòng kín, nhận tín hiệu đầu vào là nhiệt độ hơi quá nhiệt ngay trước khi đưa vào tuabin Bộ điều khiển được tách riêng thành 3 khối chức năng logic và có thể chỉnh định từng khối riêng rẽ Đầu ra của bộ điều khiển này được lấy làm tín hiệu đặt cho bộ điều khiển thứ cấp Tín hiệu quá trình phản hồi về bộ điều khiển thứ cấp là nhiệt độ hơi quá nhiệt sau khi đã được phun giảm ôn (nhiệt độ hơi quá nhiệt trước bộ quá nhiệt trước bộ quá nhiệt cấp 1 và bộ quá nhiệt cấp 2) Bộ điều khiển sơ cấp thực hiện chức năng điều chỉnh thô nhiệt độ hơi quá nhiệt còn bộ điều chỉnh thứ cấp làm nhiệm vụ điều chỉnh tinh, nhanh chóng đưa giá trị nhiệt độ hơi quá nhiệt đạt tới giá trị

ổn định Bộ điều khiển thứ cấp có đáp ứng nhanh hơn ít nhất 3 lần so với bộ điều khiển sơ cấp

Trong 2 phương án trên điểm khác nhau căn bản là việc lấy tín hiệu đưa vào bộ điều chỉnh và việc bố trí các bộ điều khiển theo sơ đồ như thế nào

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Trên cơ sở các đặc điểm tổng quát của một lò hơi trong nhà máy nhiệt điện, luận văn đề xuất đi sâu nghiên cứu bình bao hơi là một thiết bị giữ một vai trò quan trọng nhất của thiết bị lò hơi, quá trình làm việc của bao hơi rất phức tạp do ảnh hưởng của sự thay đổi của phụ tải Chế độ làm việc của bao hơi phải luôn luôn giữ ở chế độ làm việc ổn định với trị số cho phép

Trang 31

Trong bao hơi thì thông số về nhiệt độ là vô cùng quan trọng gắn liền với quá trình thuỷ động trong lò hơi Cần phải giữ nhiệt độ trong bình ở trị số cho phép để đảm bảo quá trình làm việc đƣợc năng suất và hiệu quả nhất

Do đó hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ của bình bao hơi đƣợc đặt ra với yêu cầu rất cao và nghiêm ngặt Nó đảm bảo sự làm việc ổn định của lò hơi giữ đƣợc quá trình thuỷ động học trong lò hơi và làm tăng tuổi thọ của các thiết bị trao đổi nhiệt trong lò hơi

Trang 32

CHƯƠNG 2

MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG NHIỆT ĐỘ TRONG

LÕ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 2.1 KHÁI QUÁT CHUNG

Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của

một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng Một mô hình phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó phục vụ hữu ích cho mục đích sử dụng Mô hình không những giúp ta hiểu rõ hơn về thế giới thực, mà còn cho phép thực hiện được một số nhiệm vụ phát triển mà không cần sự có mặt của quá trình và hệ thống thiết bị thực Mô hình giúp cho việc phân tích kiểm chứng tính đúng đắn của một giải pháp thiết kế được thuận tiện và ít tốn kém, trước khi đưa giải pháp vào triển khai

Có thể phân loại thành hai phạm trù là mô hình vật lý và mô hình trừu tượng Mô hình vật lý là một sự thu nhỏ và đơn giản hoá của hệ thống thực, được xây dựng trên

cơ sở vật lý - hoá học giống như các quá trình và thiết bị thực

Mô hình vật lý là một phương tiện hữu ích phục vụ đào tạo cơ bản và nghiên

cứu ứng dụng, nhưng ít phù hợp cho các công việc thiết kế và phát triển của người kỹ

sư điều khiển quá trình

Mô hình trừu tượng được xây dựng trên cơ sở một ngôn ngữ bậc cao, nhằm

mô tả một cách logic các quan hệ về mặt chức năng giữa các thành phần của hệ thống Việc xây dựng mô hình trừu tượng của một hệ thống được gọi là mô hình hoá

Mô hình hoá là một quá trình trừu tượng hoá trong đó thế giới thực được mô tả bằng một ngôn ngữ mô hình hoá và bỏ qua các chi tiết không thiết yếu Trong kỹ thuật điều khiển, ta quan tâm trước hết tới bốn dạng mô hình trừu tượng sau:

Mô hình đồ hoạ: Với các ngôn ngữ mô hình hoá đồ họa như lưu đồ công nghệ,

lưu đồ P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri, biểu đồ logic, Mô hình đồ hoạ phù hợp cho việc biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trúc liên kết và tương tác giữa các thành phần

Mô hình toán học: Với ngôn ngữ của toán học như phương trình vi phân (khả

năng biểu diễn mạnh, với mô hình bậc cao thì khó sử dụng cho phân tích thiết kế hệ thống), phương trình đại số, hàm truyền đạt, phương trình trạng thái (áp dụng thống nhất cho phân tích, thiết kế hệ đơn biến và đa biến, khó tiến hành nhận dạng trực tiếp,

Trang 33

nhạy cảm với sai lệch thông số, ít dùng cho điều khiển quá trình) Mô hình toán học thích hợp cho mục đích nghiên cứu sâu sắc các đặc tính của từng thành phần cũng như bản chất của các mối liên kết và tương tác

Mô hình suy luận: Là một hình thức biểu diễn thông tin và đặc tính về hệ

thống thực dưới dạng các luật suy diễn, sử dụng các ngôn ngữ bậc cao

Mô hình máy tính: Là các chương trình phần mềm mô phỏng đặc tính của hệ

thống theo những khía cạnh quan tâm Mô hình máy tính được xây dựng với các ngôn ngữ lập trình, trên cơ sở sử dụng các mô hình toán học hoặc mô hình suy luận

Mô hình toán học, mô hình suy luận và mô hình máy tính được xếp vào phạm trù

mô hình định lượng, trong khi mô hình đồ hoạ thuộc phạm trù mô hình định tính Mô hình định tính thường quan tâm tới cấu trúc và mối liên quan giữa các thành phần hệ thống về mặt định tính Trong khi đó một mô hình định lượng cho phép thực thi các phép tính để xác định rõ hơn quan hệ về mặt định lượng giữa các đại lượng đặc trưng trong hệ thống cũng như quan hệ tương tác giữa hệ thống với môi trường bên ngoài Mặc dù cả bốn dạng mô hình nói trên đều có vai trò quan trọng nhất định trong lĩnh vực điều khiển quá trình, các mô hình toán học đóng vai trò then chốt trong hầu hết nhiệm vụ phát triển hệ thống Trong các bước thực hiện nhiệm vụ phát triển, mô hình toán học giúp các cán bộ công nghệ cũng như cán bộ điều khiển cho các mục đích sau đây:

Hiểu rõ hơn về quá trình sẽ cần phải điều khiển và vận hành

Tối ưu hoá thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệ thống

Thiết kế sách lược và cấu trúc điều khiển

Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển

Phân tích và kiểm chứng các kết quả thiết kế

Mô phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo vận hành

Trang 34

2.2 MÔ TẢ TÓAN HỌC CHO CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÕ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

2.2.1 Cấu trúc tổng quát một hệ điều khiển quá trình

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình được minh họa như hình 2.1:

a Thiết bị đo

- Cấu trúc cơ bản:

Một thiết bị đo quá trình có nhiệm vụ cung cấp thông tin về diễn biến của quá trình kỹ thuật và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình được minh hoạ như trên hình 2.2

Thành phần cốt lõi của một thiết bị đo là cảm biến Một cảm biến có chức năng chuyển đổi một đại lượng vật lý, ví dụ nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng, nồng độ sang một tín hiệu thông thường là điện hoặc khí nén Một cảm biến có thể bao gồm một hoặc vài phần tử cảm biến, trong đó mỗi phần tử cảm biến lại là một bộ chuyển đổi từ

Hình 2.1: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình

Trang 35

một đại lượng này sang một đại lượng khác dễ xử lý hơn Tín hiệu ra từ cảm biến thường rất nhỏ, chưa truyền được xa, chứa sai số do chịu ảnh hưởng của nhiễu hoặc do

độ nhạy kém của cảm biến, phi tuyến với đại lượng đo Vì thế sau phần tử cảm biến người ta cần các khâu khuếch đại chuyển đổi, lọc nhiễu, điều chỉnh phạm vi, bù sai lệch và tuyến tính hoá Những chức năng đó được thực hiện trong một bộ chuyển đổi

đo chuẩn Một bộ chuyển đo đổi chuẩn đóng vai trò là một khâu điều hoà tín hiệu, nhận tín hiệu đầu vào từ một cảm biến và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn để có thể truyền xa và thích hợp với đầu vào của bộ điều khiển Trong thực tế nhiều bộ chuyển đổi đo chuẩn được tích hợp luôn cả phần tử cảm biến, vì vậy khái niệm 'Transmitter' cũng được dùng để chỉ các thiết bị đo

Thuật ngữ:

Measurement device: Thiết bị đo

Sensor: Cảm biến

Sensor element: Phần tử cảm biến, đầu đo

Signal conditioning: Điều hoà tín hiệ

Transmitter: Bộ chuyển đổi đo chuẩn

Transducer: Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng

Chất lượng và khả năng ứn

hành và tác động môi trường Đặc tính tĩnh biểu diễn quan hệ giữa đại lượng đầu vào

và giá trị tín hiệu đầu ra của thiết bị đo ở trạng thái xác lập, trong khi đặc tính động học biểu diễn quan hệ giữa biến thiên đầu vào và tín hiệu ra theo thời gian Đặc tính tĩnh liên quan tới độ chính xác khi giá trị của đại lượng đo không thay đổi hoặc thay đổi rất chậm Ngược lại, đặc tính động học liên quan tới khả năng phản ứng của thiết

bị đo khi đại lượng đo thay đổi nhanh

- Đặc tính động

Khi giá trị đại lượng đo ít thay đổi hoặc thay đổi rất chậm, tín hiệu đo chỉ phụ thuộc vào giá trị đầu vào và ta chỉ cần quan tâm tới đặc tính tĩnh của thiết bị đo Tuy nhiên tín hiệu đầu ra sẽ không thể đáp ứng ngay với sự thay đổi tương đối nhanh của đại lượng đo Quan hệ phụ thuộc của tín hiệu đầu ra vào cả đại lượng đo và biến thời

Định dạng
Số trang	70
Dung lượng	2,45 MB