Tự động điều chỉnh và điều khiển nồi hơi tàu thủy

Các khái niệm chung Mục tiêu của bài học Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng: - Nêu được lý do tại sao cần tự động hóa hoạt động của nồi hơi tàu thủy - Nêu được

Chương III

Tự động điều chỉnh và điều khiển nồi hơi tàu thủy

§1 Các khái niệm chung Mục tiêu của bài học

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:

- Nêu được lý do tại sao cần tự động hóa hoạt động của nồi hơi tàu thủy

- Nêu được các thông số hoặc quá trình cần tự động điều chỉnh, điều khiển

- Giải thích được hình vẽ biểu thị các mạch điều chỉnh của một hệ thống

Nồi hơi được sử dụng trên tàu thuỷ để cung cấp hơi cho động cơ hơi nước lai chân vịt, lai máy phát điệnhoặc các máy phụ như bơm, tời… Ngoài ra hơi còn được sử dụng để hâm sấy nhiên liệu, vệ sinh, phục vụsinh hoạt… Dù chỉ là một thiết bị phục vụ hệ động lực nhưng nồi hơi có vai trò rất quan trọng

Mặt khác, nồi hơi là một thiết bị phức tạp về cấu trúc và là một đối tượng có nhiều thông số; mối quan hệgiữa các thông số hoạt động cũng rất phức tạp Nồi hơi lại là một thiết bị tích trữ nhiệt và áp suất cao nênrất nguy hiểm, đặc biệt là khi các thông số của nó không được duy trì ổn định

Các thông số và quá trình của nồi hơi cần được điều chỉnh, điều khiển là:

- áp suất hơi: áp suất hơi phụ thuộc vào lượng hơi tiêu thụ (phụ tải) và lượng nhiên liệu cấp vào thiết bịđốt Muốn duy trì ổn định áp suất hơi thì phải tạo được quy luật cấp nhiên liệu phù hợp với sự thay đổiphụ tải

- Nhiệt độ hơi quá nhiệt: Nhiệt độ của hơi quyết định tính kinh tế và hiệu quả của các thiết bị sử dụng hơinước Nhiệt độ hơi quá nhiệt phụ thuộc vào sự thay đổi của tải và kiểu của nồi hơi, ví dụ đối với nồi hơituần hoàn tự nhiên sự dao động của nhiệt độ hơi quá nhiệt lớn hơn nhiều so với các nồi hơi tuần hoàncưỡng bức

- Quá trình cấp nước: mức nước trong nồi hơi, lưu lượng và áp suất nước cấp, mức nước trong kétcascade… Mức nước trong nồi hơi phụ thuộc vào lưu lượng hơi tiêu thụ, áp suất hơi và lưu lượng cấpnước Để duy trì ổn định mức nước trong nồi hơi phải thiết lập được quy luật bổ sung nước cho nồi hơi

- Quá trình cháy: cường độ cháy và chất lượng cháy Cường độ của quá trình cháy trong buồng đốt nồihơi phụ thuộc vào sự thay đổi của phụ tải và chất lượng cháy phụ thuộc vào tỷ lệ không khí và nhiên liệucấp vào trong nồi hơi

- Quá trình hoạt động của nồi hơi: quá trình đốt và dừng Quá trình đốt và dừng là quá trình thực hiệntuần tự các thao tác để đảm bảo nồi hơi làm việc an toàn

Ngoài các thông số đã nêu ở trên, còn có một số thông số khác như áp suất nhiên liệu cấp vào thiết bị đốt,

áp suất không khí cấp vào buồng đốt, áp suất nước cấp cũng cần được duy trì ổn định để đảm bảo hoạtđộng an toàn và nâng cao hiệu quả của nồi hơi

Việc điều chỉnh không tự động các thông số thông qua người khai thác trở nên khó khăn và nhiều khikhông thực hiện được khi có nhiều thông số cần được điều chỉnh với yêu cầu chính xác và kịp thời Chính

vì thế nồi hơi thường được trang bị các hệ thống tự động nhằm nâng cao tính an toàn, kinh tế, giảm sức laođộng của con người

Hình 1.1 biểu thị các mạch điều chỉnh trong một hệ thống tự động nồi hơi Hệ thống này dùng tua bin hơi

để dẫn động các bơm, quạt

11 4 6

12air supply

5

32

1I

Hình 1.1: Sơ đồ minh họa một hệ thống tự động nồi hơi

Chú thích hình vẽ:

1: trống hơi - nước; 2: bơm cấp nước; 3: bơm dầu đốt; 4: quạt gió;

5: súng phun; 6: tua bin hơi; 7: van điều chỉnh mức nước nồi;

8: van điều chỉnh lượng dầu; 9: van điều chỉnh áp suất dầu;

10: van điều chỉnh lượng hơi vào tua bin lai quạt;

11: bướm gió, điều chỉnh lượng không khí vào buồng đốt;

12: van điều chỉnh lượng hơi vào tua bin lai bơm cấp nước

I: bộ điều chỉnh (BĐC) mức nước; II: BĐC áp suất nước cấp;

III: BĐC lượng nhiên liệu; IV: BĐC áp suất không khí;

V: BĐC lượng không khí; VI: BĐC áp suất dầu

Trong hệ thống này có 2 mạch điều chỉnh: điều chỉnh việc cấp nước (áp suất và lưu lượng) để duy trì ổnđịnh mức nước, và mạch điều chỉnh quá trình cháy trong buồng đốt thông qua điều chỉnh việc cấp nhiênliệu và không khí (áp suất và lưu lượng)

BĐC I sử dụng tín hiệu mức nước trong nồi hơi để điều chỉnh độ mở của van cấp nước nồi 7 BĐC II duytrì áp suất nước cấp bằng cách thay đổi lượng hơi vào tua bin 6, làm thay đổi tốc độ của bơm cấp 2.BĐC III sử dụng tín hiệu áp suất hơi công tác để thay đổi độ mở của van cấp nhiên liệu 8 BĐC này cònđưa tín hiệu tới BĐC IV để đặt lượng không khí cấp cho phù hợp với nhiên liệu BĐC IV thay đổi độ mởcủa van 10 làm thay đổi tốc độ của tua bin 6, và quạt 4 do đó thay đổi lượng không khí cấp vào buồng đốtcho phù hợp với nhiên liệu BĐC V duy trì áp suất không khí cấp qua thay đổi độ mở của bướm gió 11.BĐC VI thay đổi độ mở của van hồi 9 để duy trì áp suất nhiên liệu

Nước cấp

Hơi ra

Nồi hơi (Qak)

§2 Phương trình động của nồi hơi tàu thuỷ

Mục tiêu của bài học

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:

- Vẽ và giải thích được mô hình nhiệt nồi hơi tàu thủy, giải thích được phương trình cân bằng nhiệt

- Vẽ và giải thích được mô hình khối lượng, giải thích được phương trình cân bằng khối lượng

- Xây dựng được phương trình động của nồi hơi theo áp suất hơi và theo mức nước

- Nêu được mối quan hệ giữa các hệ số của phương trình và các thông số kỹ thuật (kích thước, áp suất

có nhiều dung lượng, bao gồm hàng loạt các thành phần tích trữ nhiệt và khối lượng như nước, thànhvách và dàn ống

2.1 Phương trình động của nồi hơi theo áp suất hơi

Mô hình của nồi hơi với nhiệt lượng cấp vào và thoát ra

Hình 2.1: Mô hình nhiệt nồi hơiLượng nhiệt cung cấp cho nồi hơi từ nhiên liệu tính bằng Qnl (kcal/s), qua nước cấp vào nồi Qnc (kcal/s)

và lượng nhiệt do hơi mang đi khỏi nồi hơi là Qrh (kcal/s), do khí xả mang đi là Qkx, nhiệt lượng tích trữtrong nồi hơi (trong sắt thép, nước và hơi trong trống hơi) là Qak Phương trình cân bằng nhiệt của nồi hơi

có thể viết như sau:

Qnl + Qnc + Qkk – Qrh – Qkx - Qak = 0Nếu bỏ qua nhiệt do không khí mang vào và nhiệt do khí xả mang đi thì có thể viết:

Qnl + Qnc – Qrh - Qak = 0Phương trình cân bằng nhiệt ở trạng thái tĩnh: Qoak + Qonl + Qonc - Qorh = 0 (2.1)

Trong trạng thái động, khi các thông số thay đổi theo thời gian thì lượng nhiệt tích trữ xác định bằng dQak

Qs = Gs.Cs.Ts; Ts = f3(ph)

(2.4)

Qnh = Gh.i'' + Gn.i'; i'' = f1(pn); i' = f2(ph) (2.5)

Trong đó: G s : khối lượng sắt thép (kg)

C s : nhiệt độ của sắt thép ( o C)

T s : nhiệt độ của sắt thép ( o C)

G h : khối lượng hơi trong nồi hơi (kg)

G n : khối lượng nước trong nồi hơi (kg) i'', i': entaipi của hơi và nước (kcal/kg)

Qnh  o''  h  oh   'o  n  on 



hh

p p

'' i ''

s p p

p d

; dt

dT dt

T d

; dt

dQ dt

dp p

'' i G dt

dG i dt

dQ dt

''osnh

T C G dt

dp

hh

Gh = f4(ph; Grh); Gn = f5(ph; Grh) (2.7)Thực hiện tuyến tính hoá phương trình 2.7 sẽ được dạng:

dt

dG G

G dt

dp p

G dt

dG

dt

dG G

G dt

dp p

G dt

dG

rhrh

nh

h

nn

rhrh

hh

h

hh

'oh

noh

h

''on

hh

ak

p

dT C G G

p

'i i.

p

G G

p

'' i i

p

G dt

G i.

G

orh

n''

Thực chất 2.9 mới chỉ là phần bên phải của phương trình 2.3 còn phần bên trái được xác định như sau:

Trong đó: m nl : độ mở cửa van cấp nhiên liệu (mm)

G nc : khối lượng nước cấp (kg/s)

i nc : enthanpi của nước cấp (kcal/kg)

m nc : độ mở của van cấp nước (mm)

m rh : độ mở của van hơi chính (mm)

,  opt : hệ số dư lượng không khí và giá trị định mức của nó

Thay thế các thành phần trong biểu thức 2.10 được:

Qnl = f6(mnl); Qnc = f9(mnc); Qrh = f10 (ph; mrh) (2.11)

Các giá trị chính xác trong 2.11 có thể xác định được bằng lý thuyết hoặc thực nghiệm nếu biết đặc tínhhoạt động và cấu trúc của các cơ cấu điều khiển Tuyến tính hóa các phương trình này sẽ có:

rhrh

rhh

h

rhrh

ncnl

ncnc

nlnl

nlnl

m m

Q p

p

Q Q

m m

Q Q

; m m

Q Q

dt

dG i.

G

G i.

G

G m

m

Q m

m

Q m

.

m

Q

p p

G dt

dp p

dT C G G

p

'i i.

p

G G

p

'i i.

p

G

rh'

orh

n''

orh

hrh

rh

rhnc

nc

ncnl

nl

nh

hh

rhh

h

sssonh

'0h

noh

dt

dm m

G dt

dp p

G dt

rh

rhh

h

rhrh

 giá trị thay đổi tương đối của độ mở van cấp hơi, đặc trưng cho sự thay đổi

lượng hơi tiêu thụ (phụ tải)

phđm, mnlđm, mncđm, mrhđm là những giá trị lớn nhất tương ứng với tải định mức

Phương trình tuyến tính biểu thị quá trình động của nồi hơi theo áp suất hơi được xác định như sau:

dt

d a a

a

K dt

d

.

Ta1 h  h  nl  1nc  2rh  3 rh (2.15)

Trong đó:

m

Q m

p

T

nl

nlnldm

nc'

orh

hh

rhh

sssonch

'oh

ncoh

G

G p

G p

T C G G

p

'i i.

p

G G

p

'' i i.

p

G

:hằng số thời gian của nồi hơi, đơn vị là [s]

hrhnl

nlnldm

hdm

p

Q m

Q

nc

nhncdm

1

m

Q m

m

Q m

rh

nlehdm

2

m

Q m

m

Q m a

rh

rh'

orh

nc''

orh

hrhdm

3

m

Q m

m

G i.

G

G i.

G

G m

Sau đây là một số kết luận từ việc xây dựng phương trình động của nồi hơi theo áp suất hơi

Hệ số T a1 (hằng số thời gian) tỷ lệ thuận với khối lượng phần sắt thép của nồi hơi G s , của khối lượng nước trong nồi hơi ở chế độ tĩnh G on và khối lượng hơi G oh Khối lượng phần sắt thép càng lớn, nồi hơi càng to thì hằng số thời gian T a1 càng lớn

Hệ số T a1 không chỉ phụ thuộc vào các thông số G on và G oh mà còn phụ thuộc vào tải Đối với một nồi hơi cho trước, tuỳ thuộc vào chế độ tải có thể có các trạng thái làm việc tĩnh khác nhau Khi phụ tải tăng, lượng nước trong nồi sẽ giảm làm tăng không gian hơi, mật độ hơi giảm và kết quả là giảm hệ số T a1

là tác động nhiễu loạn đối với nồi hơi.

Phương trình động với nhiễu loạn f(t) có dạng:

) t ( f

a K

Việc khảo sát phương trình động này trong hai trường hợp:

- thay đổi lượng nhiên liệu cấp vào buồng đốt theo quy luật hàm bước nhảy đơn vị, độ mở van cấp hơikhông thay đổi và

- nhiễu phụ tải xuất hiện đột ngột rồi biến mất, lượng nhiên liệu cấp vào trong buồng đốt không thayđổi

hoàn toàn tương tự như việc khảo sát phương trình động của động cơ điêzel và vì vậy không được nhắcđến ở đây nữa

Sau đây là một số kết luận rút ra từ việc khảo sát phương trình này

Khi thay đổi nhiên liệu đột ngột, giữ nguyên độ mở van cấp hơi: áp suất hơi thay đổi theo đường cong hàm mũ, tốc độ thay đổi nhanh hay chậm phụ thuộc vào hằng số thời gian của nồi hơi T a1

Khi giữ nguyên nhiên liệu, nhiễu phụ tải xuất hiện đột ngột rồi biến mất: khả năng tự ổn định của áp suất hơi phụ thuộc vào dấu của hệ số tự chỉnh K Tuy nhiên vì K luôn có giá trị dương nên nồi hơi luôn có khả năng tự ổn định áp suất hơi.

2.2 Phương trình động của nồi hơi theo mức nước

Theo cách đặt vấn đề này thì chênh lệch giữa lượng nước cấp Gnc (kg/s) và lượng hơi nước tiêu thụ Grh

(kg/s) chính là lượng hơi và nước tích trữ trong nồi hơi Gak (kg/s)

Hình 2.2: Mô hình khối lượng của nồi hơiPhương trình cân bằng khối lượng: Gnc – Grh + Gak = 0

ở trạng thái làm việc tĩnh lượng nước cấp bổ sung vào nồi hơi cân bằng với lượng hơi tiêu thụ:

Trong đó: G n khối lượng của nước + hơi bên dưới bề mặt bốc hơi (kg)

G h : khối lượng của hơi bên trên bề mặt bốc hơi (kg)

V n : thể tích của bầu chứa hơi + nước (m 3 )

V h : thể tích của bầu chứa hơi (bên trên bề mặt bốc hơi) m 3

nh : trọng lượng riêng của nước + hơi kg/m 3

'': trọng lượng riêng của hơi

Tuyến tính hoá 2.22 nhận được:

V d dt

d V dt

V d dt

dG dt

dG

dt

dQ

ohh''

o

nhon

nonh

hn

Vh = VT - Vn , trong đó VT thể tích của toàn bộ trống hơi, nước:

dV dt

) V V ( d dt

dp dp dt

d

; dt

dp p

'' dt

''

rh

nhh

h

nhnh

hh

dt

dG G V ) p

'' V

p V ( dt

dV ) (

dt

rh

nhonn

ohh

nhonn

''oonh

dV

n

n (2.27)

Trong đó: F n là diện tích bề mặt bốc hơi (m 2 ), H là mức nước trong nồi hơi (m)

Các thông số, các hệ số của vế bên phải của phương trình 2.26 được xác định bằng các mối quan hệ nhưđược thể hiện ở 2.10 và sau khi tuyến tính hoá chúng có dạng:

ncnc

rhh

p

'' V p

V ( p p

G m

m

G dt

dH F )

h

ohh

nhonh

h

rhnc

nc

ncn

rhrh

dt

d b

b dt

nc

n

''0onhdm2

a

m m G

F ) (

H T

h

rhhdm1

m

G m

p

G p

hoh

rhrh

nhon

h

nhonhdm2

m

G m

p

'' V dt

dG G V p

V ( p b

ncncdm

rh

rhrhdm

3

m

G m

m

G m b

rhrh

nhon

rh4

m

G m

dt

dG G V m b

Sau đây là một số kết luận rút ra từ việc xây dựng phương trình động của nồi hơi

Hằng số T a2 tỷ lệ với trọng lượng riêng của hỗn hợp hơi nước  nh và diện tích bề mặt nồi hơi F n Hệ số này

có giá trị lớn khi không gian chứa hơi nhỏ và bề mặt bốc hơi lớn.

Phương trình 2.30 cho thấy mức nước trong nồi tăng khi tăng độ mở van cấp nước  nc và mức nước giảm khi các giá trị  h (áp suất hơi);

(tốc độ thay đổi độ mở van cấp hơi) tăng.

Hiện tượng sôi bồng (mức nước tăng khi áp suất hơi  h giảm đột ngột) xảy ra là do khi áp suất hơi giảm, nước bên dưới bề mặt bay hơi tăng tốc độ sôi, bay hơi và giãn nở làm bề mặt bay hơi bồng lên.

Hiện tượng sôi lắng (mức nước giảm tức thời khi áp suất hơi tăng đột ngột) là do khi áp suất hơi tăng cường độ sôi và bay hơi của nước giảm đi, thể tích phần hỗn hợp hơi nước dưới bề mặt bay hơi giảm làm

bề mặt này bị co lại

2.3 Đặc tính thay đổi mức nước trong nồi hơi khi phụ tải thay đổi

Khi phụ tải hơi thay đổi, ví dụ khi mở to van hơi chính rh > 0;

dt

d rh

> 0 thì theo 2.15 áp suất hơi sẽgiảm xuống Khi giá trị h giảm, theo 2.30, mức chất lỏng ở trong nồi hơi tăng, còn khi rh tăng, mứcnước trong nồi hơi giảm Tính toán theo 2.30, thay giá trị h xác định từ 2.15 được:

"

rh5

'rh4rh3nl2

'nl1nc2nc1y2

Giải phương trình 2.33 với các điều kiện ban đầu y(0) = 0; 'y (0) = 0 (2.34) sẽ được:

t ) d T

T d ( T

a t T 2

ad e

1 )]

d T

T d ( T

a [

223

t

T

T3

2

2142y

.2

2

1

y

2 1 2

t 1

2 3

ph

Hình 2.2: Đặc tính thay đổi mức nướcThành phần thứ nhất

) e

1 (

t

T

T

2 1 2



 của phương trình 2.35 cho thấy xu thế tăng lên của mức nước theo

hàm mũ có cơ số tự nhiên (đường 1 trên hình 2.3) Thành phần còn lại - 2

2

3 t T 2

ad

T

T d ( T

a

32

2142

§3 Tự động điều khiển quá trình cấp nước nồi hơi

Mục tiêu của bài học

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:

- Nêu được các khái niệm về hệ thống tự động điều khiển quá trình cấp nước

- Vẽ hình và giải thích được hoạt động của một hệ thống tự động điều chỉnh áp suất nước cấp

- Vẽ sơ đồ và giải thích được các nguyên tắc hoạt động của bộ điều chỉnh mức nước:

 Điều chỉnh mức nước một xung

 Điều chỉnh mức nước hai xung

 Điều chỉnh mức nước ba xung

- Giải thích được hoạt động của một số hệ thống tự động điều chỉnh mức nước

- Giải thích được đặc tính thay đổi mức nước trong các trường hợp

Tự động điều khiển quá trình cấp nước là một phần quan trọng của hệ thống tự động điều khiển nồi hơi Hệthống này có chức năng duy trì ổn định mức nước trong nồi hơi Hệ thống tự động điều khiển quá trình cấpnước vào nồi hơi thường làm các nhiệm vụ:

- Tự động điều khiển bơm cấp nước

- Tự động điều chỉnh áp suất nước cấp

- Tự động điều chỉnh lưu lượng nước cấpTuy nhiên không phải hệ thống nào cũng có đầy đủ các mạch tự động điều chỉnh và điều khiển như trên.Với các nồi hơi nhỏ, đơn giản thì việc duy trì ổn định mức nước có thể chỉ qua việc điều khiển hoạt độngcủa bơm mà không cần có điều chỉnh áp suất và lưu lượng nước cấp Một số hệ thống lại có bơm nướchoạt động liên tục và không có tự động điều chỉnh áp suất nước cấp

3.1 Tự động điều khiển bơm cấp nước

Trong một số hệ thống tự động điều khiển quá trình cấp nước hoạt động của bơm cấp nước có thể được tựđộng hóa để đáp ứng yêu cầu cấp nước

Bơm cấp nước hoạt động theo chế độ ON - OFF: khi mức nước trong nồi hơi giảm thấp hơn một giá trịđặt nào đó thì bơm sẽ tự động hoạt động để cấp nước bổ sung Khi mức nước trong nồi hơi tăng đạt tớimột giá trị nào đó thì bơm sẽ tự động dừng Hệ thống này thường được dùng cho các hệ thống nồi hơi nhỏ

và đơn giản

Trong một số hệ thống khác bơm cấp nước lại hoạt động liên tục; tùy theo mức nước trong nồi hơi vòngquay của bơm có thể điều chỉnh được để thay đổi lưu lượng nước cấp, khi mực nước giảm thì vòng quaycủa bơm sẽ tăng và ngược lại Hệ thống này cũng thường được dùng cho nồi hơi nhỏ và đơn giản

Đối với các nồi hơi lớn và phức tạp việc duy trì ổn định mức nước thường được thực hiện thông qua bộ điềuchỉnh mức nước Bộ điều chỉnh sẽ thay đổi độ mở của van cấp nước để thay đổi lưu lượng nước cấp Trườnghợp này sẽ được trình bày cụ thể hơn ở phần sau

3.2 Tự động điều chỉnh áp suất nước cấp

Mục đích của việc điều chỉnh áp suất nước cấp là đảm bảo áp suất nước cấp đủ lớn để duy trì lưu lượngnước cấp nhằm ổn định mức nước trong nồi hơi

Giả sử phụ tải tăng, mức nước trong nồi hơi giảm, để duy trì mức nước ổn định, bộ điều chỉnh mức nước

sẽ mở van cấp nước to thêm và như vậy áp suất nước cấp bị giảm Nếu không duy trì được áp suất nướccấp, thì lưu lượng cấp sẽ giảm dẫn đến việc cấp nước bổ sung vào nồi hơi không phù hợp với phụ tải(lượng nước ra khỏi nồi hơi dưới dạng hơi) Trường hợp ngược lại (phụ tải giảm) áp suất nước cấp tăngđột ngột gây ảnh hưởng xấu cho quá trình điều chỉnh mức nước

H(m)

1' 12'

2

3 3'

B' B E

A A'

O D

Tua bin hơi lai bơm

Van điều chỉnh

Bơm cấp nước

Hộp xếp

Hình 3.1: Hệ thống tự động điều chỉnh áp suất nước cấpHình vẽ 3.1 biểu thị một hệ thống điều chỉnh áp suất nước cấp đơn giản Hộp xếp cảm biến áp suất nước cấp vàlàm thay đổi độ mở của van điều chỉnh Lượng hơi cấp vào tua bin lai bơm thay đổi làm thay đổi tốc độ quaycủa bơm và do đó thay đổi áp suất nước cấp

Hình 3.2 biểu thị đặc tính hoạt động của bơm, đường OA biểu thị đặc tính đường ống khi van cấp nước

mở hoàn toàn, đường B biểu thị đặc tính làm việc của bơm, 1 là điểm làm việc của bơm tại một trạng tháicân bằng

Giả sử phụ tải giảm, bộ điều chỉnh mức nước sẽ đóng bớt van cấp nước lại và đặc tính đường ống trởthành OA' Nếu không có bộ điều chỉnh áp suất nước cấp điểm công tác mới sẽ là 3, áp suất sau bơm tăng

Hình 3.2: Đặc tính hoạt động của bơm cấp nước

Do có bộ điều chỉnh áp suất nước cấp, vòng quay của bơm giảm, đặc tính làm việc của bơm trở thành B’,điểm phối hợp công tác mới sẽ là điểm 2 Như vậy áp suất nước cấp được duy trì ổn định

Ngược lại, nếu điểm công tác đang là 2 tương ứng với đặc tính đường ống OA' và đặc tính bơm B’, khiphụ tải tăng, bộ điều chỉnh mức sẽ mở to thêm van cấp nước (đặc tính đường ống OA) Nếu không có bộđiều chỉnh áp suất nước cấp điểm công tác mới sẽ là điểm 1', áp suất nước cấp giảm Do có bộ điều chỉnh

áp suất nước cấp, vòng quay của bơm tăng, đặc tính bơm trở thành B, áp suất nước cấp được duy trì ổnđịnh

Trong các hệ thống có bơm cấp nước được lai bằng mô tơ điện có thể điều chỉnh được vòng quay (thôngqua bộ biến tần, dùng mô tơ rôto dây quấn…), tín hiệu từ bộ điều chỉnh áp suất nước cấp sẽ làm thay đổivòng quay của bơm và do đó làm thay đổi áp suất cấp nước

Trong hệ thống cấp nước của các nồi hơi cỡ nhỏ thường không có bộ điều chỉnh áp suất nước cấp, khi đó

ở cửa đẩy của bơm có đường ống tiết lưu hồi về két

3.3 Tự động điều chỉnh lưu lượng nước cấp

Để duy trì ổn định mức nước trong nồi hơi khi phụ tải tiêu thụ hơi thay đổi thì lưu lượng nước cấp vào nồihơi cần được điều chỉnh phù hợp Việc thay đổi độ mở của van cấp nước nồi để điều chỉnh lưu lượngnước cấp được tự động hóa bằng các bộ điều chỉnh mức nước Các bộ điều chỉnh mức nước có thể là mộttrong các dạng:

- Bộ điều chỉnh (BĐC) một xung (tín hiệu vào BĐC là mức nước)

- Bộ điều chỉnh hai xung (tín hiệu vào BĐC là mức nước và phụ tải)

- Bộ điều chỉnh ba xung (tín hiệu vào BĐC là mức nước, phụ tải và lưu lượng nước cấp)

3.1.1 Bộ điều chỉnh mức nước một xung

Bộ điều chỉnh mức nước một xung được xây dựng theo nguyên lý độ lệch, tín hiệu vào bộ điều chỉnh là độlệch của mức nước Khi mức nước thay đổi so với giá trị đặt thì bộ điều chỉnh sẽ có tác động điều chỉnh đểcấp bổ sung nước cho nồi hơi Phần tử cảm biến mức nước có thể là kiểu phao, kiểu chênh áp suất hoặcmàng cảm ứng áp suất Tuy nhiên phần tử cảm biến mức nước kiểu chênh áp thường được sử dụng rấtrộng rãi Hình 3.3 là sơ đồ nguyên lý của thiết bị cảm ứng mức nước theo độ chênh áp

Hình 3.3: Cảm biến mức nước theo độ chênh áp

Condenser: bình ngưng Max Level: mức nước cực đại Min Level: mức nước cực tiểu

Differential pressure transmitter: cảm biến độ chênh áp

Phía L của phần tử cảm biến độ chênh áp được nối với bình ngưng do đó có cột áp không thay đổi là Ho;

áp suất thực tế ở đây là p + Ho với p là áp suất trong trống hơi-nước Phía H của phần tử cảm biến độchênh áp được nối với phần thấp của trống hơi-nước do đó có áp suất là p + H, H là cột áp do nước trongtrống tạo thành Độ chênh áp H = Ho – H; do Ho = const nên H sẽ thể hiện sự thay đổi mức nước nồihơi H

Hình 3.4 là sơ đồ khối của bộ điều chỉnh mức nước một xung Phần tử cảm biến mức nước (CB Mức)cảm biến mức nước nồi H Tín hiệu này sau đó được biến đổi thành dạng tín hiệu phù hợp với bộ điềuchỉnh (BĐC) nhờ thiết bị biến đổi tín hiệu (BĐTH) U(t) là tín hiệu ra của BĐC tác động lên van cấpnước để thay đổi độ mở

CB Mức

ở trạng thái cân bằng áp suất ở các khoang C và D có giá trị bằng nhau, áp lực trong khoang A cân bằngvới lực lò xo Khi mức nước trong nồi hơi giảm, áp suất khí nén trong khoang A giảm, lực lò xo làm hộpxếp ở khoang A bị giãn ra đẩy thanh chống đi xuống Thanh truyền 12 bị đẩy quay ngược chiều kim đồng

hồ làm van 13 của rơ le 5 mở nhiều hơn, van 14 đóng bớt lại áp suất khí nén đến van cấp nước 8 tăng làmvan này mở to hơn tăng lưu lượng nước bổ sung nước vào nồi hơi

Van cấp nước có thể được đóng mở trực tiếp nhờ thiết bị chọn chế độ điều khiển 7 ở chế độ điều khiểntrực tiếp, khí nén được cấp trực tiếp từ van điều chỉnh áp suất gắn ở 7 tới van cấp nước 8 Trong trườnghợp này van cấp nước được tách ra khỏi BĐC

Bộ điều chỉnh mức nước một xung loại này là bộ điều chỉnh hữu sai (hệ số không đều  ≠ 0) Hình 3.6minh họa đặc tính tĩnh của bộ điều chỉnh mức nước loại này

109

Hình 3.6: Đặc tính tĩnh của BĐC mức nước một xung

3.1.2 Bộ điều chỉnh mức nước nồi hai xung

Phụ tải tăng đột ngột thường làm cho mức nước trong nồi hơi tăng lên ở giai đoạn đầu và ngược lại phụtải giảm đột ngột thường làm cho mức nước trong nồi hơi giảm ở giai đoạn đầu Khi phụ tải tăng đột ngột,

sẽ xảy ra hiện tượng mức nước dâng cao do giãn nở và van cấp nước do đó bị đóng bớt lại Mức nước nồikhi đó có thể bị giảm đột ngột gây nguy hiểm cho nồi hơi Bộ điều chỉnh mức nước một xung không giảiquyết được vấn đề mức nước giãn nở ra hoặc co lại do ảnh hưởng của áp suất hơi, do đó mức nước nồihơi có thể sẽ dao động ở mức nguy hiểm BĐC hai xung được thiết kế có thêm tín hiệu điều chỉnh từxung phụ tải để cải thiện chất lượng điều chỉnh

Hình 3.7: Sơ đồ khối bộ điều chỉnh mức nước hai xungHình 3.7 biểu thị sơ đồ khối của bộ điều chỉnh mức nước nồi hai xung Hai xung vào BĐC là mức nước(H) và phụ tải (áp suất hơi p) Trước khi tới phần tử biến đổi tín hiệu (BĐTH) tín hiệu từ phần tử cảmbiến mức (CB Mức) và phần tử cảm biến tải (CB Tải) được so sánh với nhau ỏ phần tử so sánh SS

Tín hiệu điều chỉnh từ xung phụ tải sẽ giảm ảnh hưởng của hiện tượng bùng sôi và co lại lên hoạt độngcủa van cấp nước, do vậy quá trình quá độ không bị kéo dài

Sơ đồ nguyên lý của một bộ điều chỉnh loại này được thể hiện trên hình 3.8

Hình 3.8: Bộ điều chỉnh mức nước hai xungTín hiệu mức nước và phụ tải (áp suất hơi) được đưa đến rơ le 3 Tín hiệu phụ tải được đo gián tiếp thôngqua sự thay đổi của áp suất hơi Tại rơ le 3 tín hiệu đầu vào chung được tạo ra và sau đó tín hiệu này đượckhuyếch đại, đưa đến phần tử thực hiện 5 để điều khiển đóng mở van cấp nước 6

Giả sử phụ tải hơi tăng lên, áp suất hơi giảm áp suất trong khoang A của rơ le 3 giảm, sức căng lò xogiảm, thanh truyền 10 đi lên làm tấm chắn của phần tử khuếch đại 4 lệch sang phía L, dòng công chấtđiều khiển đi vào khoang bên dưới của động cơ trợ động 5, piston trợ động đi lên đẩy thanh truyền 7 xoayngược chiều kim đồng hồ mở to van cấp nước, quá trình cấp bổ sung nước vào nồi hơi bắt đầu

Trong giai đoạn này phản ứng của BĐC và van cấp nước do ảnh hưởng của hiện tượng bùng sôi, nếu có, sẽđược hạn chế nhờ có tác động của tín hiệu điều chỉnh từ xung phụ tải

Giai đoạn tiếp theo, do phụ tải tăng, lượng nhiên liệu cấp vào nồi hơi tăng lên dẫn đến quá trình bốc hơităng mạnh, đồng thời lượng nước biến thành hơi đi công tác mất cân bằng với lượng nước cấp vào nồi hơilàm mức nước giảm xuống Lực do chênh áp tạo ra tăng làm màng nằm giữa khoang B và C dịch chuyểnlên trên, tương tự như trên phần tử khuếch đại kiểu dòng chảy 4 cấp công chất vào khoang dưới của động cơtrợ động 5 Quá trình điều chỉnh mở to van cấp nước tiếp tục xảy ra Liên hệ ngược 8 bao gồm các thanhtruyền và lò xo sẽ đưa tấm chắn trở về vị trí che các cửa điều khiển L và R lại

Nhờ kết hợp được hai xung trong quá trình hoạt động (xung phụ tải và xung mức nước) nên bộ điều chỉnhloại này có khả năng duy trì được mức nước trong nồi hơi ổn định hơn bộ điều chỉnh một xung