Xây dựng hệ điều khiển phụ tải nhiệt phục vụ vận hành tối ưu nhà máy nhiệt điện đốt than áp suất cận tới hạn TT

Để vận hành hệ phụ tải nhiệt nhà máy hoạt động thì hiện nay tại các nhà máy có nhiều cấu trúc điều khiển để thực hiện như: Điều khiển theo lò hơi Boiler Following Control, điều khiển the

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Quốc Khánh

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Hiện nay, có rất nhiều nhà máy nhiệt điện đốt than tại Việt Nam, đóng góp một vai trò rất lớn trong việc đảm bảo an ninh năng lượng Tính riêng nhà máy nhiệt điện đốt than đã chiếm hơn 40% tổng công suất điện của cả nước Một vấn đề cho các nhà máy nhiệt điện đốt than ở nước ta hiện nay đó là: Toàn bộ các nhà máy nhiệt điện hiện nay đều do các công

ty nước ngoài lắp đặt và thiết kế Do đó, về mặt công nghệ, chúng ta phụ thuộc hoàn toàn vào nước ngoài Nếu xảy ra sự cố gì hoặc có những yêu cầu chuẩn đoán, hiệu chỉnh, sửa chữa, nâng cấp thì đều phải phụ thuộc vào nước ngoài Điều này dẫn đến chi phí giá thành sản xuất cho mỗi MW điện năng cao hơn hẳn các nước khác Vì vậy thiếu sức cạnh tranh trong lĩnh vực năng lượng điện và thiếu tính tự chủ trong sản xuất năng lượng điện Vấn đề

là vậy nhưng những nghiên cứu dành cho nhà máy nhiệt điện đốt than hiện nay còn rất ít, nhỏ lẻ và chỉ tập trung vào một vài khâu nhỏ: điều khiển mức nước bao hơi, điều khiển máy nghiền,

Trong hoạt động của nhà máy nhiệt điện đốt than, hệ phụ tải nhiệt đóng vai trò quan trọng nhất Nó có nhiệm vụ đảm bảo cung cấp đủ công suất hơi theo yêu cầu của công suất phát điện của cụm Tuabin - Máy phát Để đáp ứng đủ công suất hơi theo yêu cầu công suất điện thì hệ điều khiển phụ tải nhiệt phải điều khiển lò hơi để sản xuất ra công suất hơi, đảm bảo điều khiển các đại lượng đầu vào là lưu lượng nhiên liệu, gió và nước, để đáp ứng yêu cầu phụ tải nhiệt đầu ra là công suất hơi với các đại lượng là nhiệt độ hơi, áp suất hơi và lưu lượng hơi

Để vận hành hệ phụ tải nhiệt nhà máy hoạt động thì hiện nay tại các nhà máy có nhiều cấu trúc điều khiển để thực hiện như: Điều khiển theo lò hơi (Boiler Following Control), điều khiển theo tuabin (Turbine Following Control), điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin (Coordinated Control) Nếu có được giải pháp tối ưu để có thể giảm lượng tiêu thụ nhiên liệu trên mỗi Kg hơi sản xuất ra thì hệ này sẽ mang lại rất nhiều những lợi ích về mặt kinh tế

và môi trường Như vậy, vận hành tối ưu nhà máy nhiệt điện đốt than chính là vận hành hệ phụ tải nhiệt sao cho tối ưu, bám lương đặt công suất và lượng đặt áp suất nhanh nhất, giảm thiểu suất tiêu hao nhiên liệu trên mỗi KWh điện sản xuất ra Do đó, tác giả đề xuất đề tài

“Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển phụ tải nhiệt của nhà máy nhiệt điện đốt

than áp suất cận tới hạn” nhằm xây dựng được một mô hình điều khiển hệ phụ tải nhiệt

đáp ứng được yêu cầu vận hành tối ưu tại nhà máy nhiệt điện đốt than, sao cho có thể vừa nâng cao hiệu quả sản xuất mà tiết kiệm được nhiên liệu tiêu thụ cho mỗi kWh sản xuất ra

2 Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

a Mục tiêu của luận án

Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển phụ tải nhiệt của nhà máy nhiệt điện đốt than áp suất cận tới hạn nhằm tích kiệm nhiên liệu

b Đối tượng nghiên cứu

Hệ điều khiển phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện đốt than áp suất hơi cận tới hạn

c Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Do cấu trúc điều khiển phối hợp là hệ điều khiển đa biến, bù xen kênh tạo nên đồng bộ giữa lò hơi – tuabin, trong khi hai cấu trúc còn lại chỉ là điều khiển đơn biến và không đồng

bộ giữa lò hơi –t uabin Do đó, tác giả xác định cấu trúc điều khiển phối hợp là phạm vi nghiên cứu của luận án

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm:

- Sử dụng phương pháp cân bằng trực tiếp để nghiên cứu động lực học các quá trình trong nhà máy nhiệt điện theo cấu trúc điều khiển nhà máy kết hợp số liệu vận hành của nhà máy để xây dựng được mô hình điều khiển hệ phụ tải nhiệt phục vụ nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển phụ tải nhiệt

- Mô hình hóa mô phỏng nghiên cứu mô hình điều khiển có so sánh với thực tế vận hành

- Xây dựng mô hình thực nghiệm đánh giá kết quả nghiên cứu thông qua thiết bị mô phỏng thời gian thực với: Bộ điều khiển công nghiệp và Card DSP

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

- Đưa ra một phương pháp mới xây dựng mô hình điều khiển phụ tải nhiệt dựa trên các phương trình động lực học cân bằng năng lượng trực tiếp kêt hợp với số liệu vận hành của nhà máy

- Đề xuất áp dụng mạng Nơron-Fuzzy để tối ưu hóa cho hệ điều khiển phụ tải nhiệt

- Cấu trúc hệ điều khiển phụ tải nhiệt đề xuất mở ra khả năng ứng dụng điều khiển thông minh hóa trong nhà máy nhiệt điện

5 Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu

- Xây dựng được một mô hình động học và điều khiển phụ tải nhiệt cho nhà máy nhiệt điện đốt than dựa trên các phương trình động lực học cân bằng năng lượng trực tiếp kêt hợp với số liệu vận hành của nhà máy

- Đề xuất 01 cấu trúc điều khiển phối hợp mới cho hệ phụ tải nhiệt dựa trên sự phát triển từ cấu trúc của tác giả Flynn và thiết kế hệ điều khiển phụ tải nhiệt mới

- Thiết kế tối ưu hóa hệ điều khiển phụ tải nhiệt theo tiêu chuẩn tiết kiệm nhiên liệu

- Ứng dụng mạng Nơron-fuzzy để nâng cao chất lượng hệ điều khiển phụ tải nhiệt

- Xây dựng một thiết bị mô phỏng thời gian thực sử dụng bộ điều khiển trong công nghiệp và Card DSP để kiểm chứng, đánh giá chất lượng hệ phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện

6 Cấu trúc của luận án

Luận án được cấu trúc thành bốn chương Sau đó là phần kết luận nêu những đóng góp mới của luận án và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo Tiếp theo là phần tài liệu tham khảo, các công trình khoa học đã công bố liên quan đến luận án

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT

NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN 1.1 Tổng quan về công nghệ nhiệt điện

1.1.1 Phân loại

Công nghệ đốt than phun là công nghệ truyền thống được áp dụng rộng rãi nhất trong các nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) đốt than và chiếm chủ yếu trong các NMNĐ ở Việt Nam Trong lò hơi công nghệ này, nhiên liệu khí (gió), nhiên liệu lỏng (dầu) phun thành bụi, nhiên liệu rắn (than) nghiền thành bột được phun vào buồng lửa

Công nghệ tầng sôi tuần hoàn (Circulating Fluidized Bed – CFB) hiện nay là dạng

công nghệ tầng sôi phổ biến nhất cả trong công nghiệp cũng như NMNĐ Lò CFB có nguyên liệu là than và đá vôi đập nhỏ được đưa đồng thời vào phần dưới buồng đốt

1.1.2 Phân loại nhà máy nhiệt điện theo tuabin

Tua bin ngưng hơi: Phụ tải nhiệt chỉ dùng để phát điện Đối với tuabin loại này, 100% lưu lượng hơi vào tuabin để sinh công, sau khi ra khỏi tuabin áp suất hơi thấp (gần áp suất khí quyển) được ngưng thành nước quay trở lại lò hơi

Tua bin đối áp: Phụ tải nhiệt gồm hai đại lượng: Điện năng và nhiệt năng Lưu lượng hơi sau khi ra khỏi tầng cao áp của tuabin sẽ trích một phần lưu lượng hơi với áp suất cao để

dẫn đi tới các hộ phụ tải nhiệt để gia nhiệt (sấy, nấu v.v )

1.1.3 Phân loại nhà máy nhiệt điện theo áp suất hơi

Dựa theo thông số quan trọng là áp suất hơi, lò hơi được phân chia thành các loại: Thông số hơi cận tới hạn (Subcritical), siêu tới hạn (Supercritical) và trên siêu tới hạn (Ultra-supercritical)

1.1.4 Nguyên lý làm việc cơ bản của NMNĐ đốt than phun áp suất cận tới hạn

NMNĐ đốt than phun bao gồm các thiết bị chính: Lò hơi – Tuabin – Máy phát (Boiler/Turbine/Generator) thường được gọi là khối tổ máy (unit) và các hệ thống phụ trợ

khác: ngưng hơi, hâm, khử khí,…

Hình 1.1 Cấu hình điển hình một tổ máy NMNĐ

1.2 Tổng quan về hệ điều khiển phụ tải nhiệt

1.2.1 Các quá trình và các mạch vòng điều khiển cơ bản của hệ phụ tải nhiệt

Trên hình 1.3 mô tả các quá trình biến đổi năng lượng của hệ phụ tải nhiệt, có hai tổ hợp: Lò hơi - tua bin máy phát Lò hơi nhận nhiên liệu – gió – nước, để tạo thành nhiệt năng

cần có các quá trình biến đổi cơ bản: Quá trình cấp nhiên liệu – gió, quá trình cấp nước, quá trình cháy, truyền nhiệt sinh hơi và quá trình quá nhiệt

Quá trình quá nhiệt

Quá trình cấp nhiên liệu

Máy phát

Quá trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng Quá trình biến đổi nhiên liệu hóa thach thành nhiệt

thành điện năng

Hình 1.2 Quá trình biến đổi năng lượng của hệ phụ tải nhiệt

1.2.2 Cấu trúc tổng quát hệ điều khiển phụ tải nhiệt

Hệ điều khiển phụ tải nhiệt trên cấu trúc tổng quát hình 1.4 là vùng đóng khung - gồm các đại lượng đầu vào là: Công suất đặt, áp suất đặt; Các đại lượng đầu ra đầu ra là:

Công suất nhiệt yêu cầu

Công suất điện

Công suất hơi

Hệ điều khiển phụ tải nhiệt P h Áp suất đặt

-Điều khiển theo lò hơi -Điều khiển theo tuabin -Điều khiển phối hợp Lò hơi - Tuabin

*%

2

0

Điều khiển hơi quá nhiệt

Điều khiển cấp nước

*

hqn T

*

bd p

*

bh H

Wf

f



f V



Wf C G

N

 _

Công suất đặt

*

N

Điều khiển nồng độ oxi dư

Hình 1.3 Cấu trúc tổng quát mô hình hệ điều khiển phụ tải nhiệt

1.2.3 Các cấu trúc điều khiển của hệ phụ tải nhiệt trong nhà máy nhiệt điện

Điều khiển phụ tải nhiệt sử dụng cấu trúc đơn biến theo tuabin như hình 1.5

Hệ điều khiển

lò hơi

h V

f

V

Hình 1.4 Cấu trúc điều khiển phụ tải nhiệt theo tua bin (Turbine Following Control)

Điều khiển phụ tải nhiệt sử dụng cấu trúc đơn biến theo lò hơi như trên hình 1.7

Hình 1.5 Cấu trúc điều khiển phụ tải nhiệt theo lò hơi (Boiler Following Control)

Điều khiển phụ tải nhiệt sử dụng cấu trúc phối hợp được trình bày trên hình 1.9

Hình 1.6 Điều khiển phụ tải nhiệt theo cấu trúc phối hơp (Coordinated)

1.3 Tổng quan những vấn đề nghiên cứu hệ điều khiển phụ tải nhiệt

1.3.1 Những nghiên cứu cơ bản cấu trúc điều khiển phối hợp

Hình 1.12a trình bày cấu trúc điều khiển phối hợp hệ phụ tải nhiệt theo đề xuất của tác giả Flynn với ý tưởng mới về cấu trúc điều khiển phối hợp có một lượng đặt công suất

feedforward áp suất là hàm phi tuyến g(∆P) (hình 1.12b) để bù tác động xen kênh giữa lò hơi và tuabin

*

N

CN G

CP G

e N

h P

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển phối hợp (a) Đặc tính hàm bù áp suất g(ΔP) (b)

1.3.2 Cấu trúc điều khiển phối hợp thường dùng trong thực tế

Hình 1.13 trình bày cấu trúc thực tế các nhà máy nhiệt điện nước ta thường sử dụng



*

N

CN G

CP G

e N

h P





FN G

p k P

Hình 1.9 Cấu trúc điều khiển phối hợp tại các nhà máy nhiệt điện đốt than phun ở Việt Nam

1.3.3 Những công trình nghiên cứu về thiết kế hệ điều khiển phụ tải nhiệt nhà máy

nhiệt điện đốt than phun

Từ thập niên 60 của thế kỷ XX đến nay, các vấn đề trong điều khiển các quá trình của nhà máy nhiệt điện nhằm nâng cao chất lượng điều khiển các quá trình, tăng hiệu suất phát điện, cải thiện chất lượng điện, cải thiện môi trường,… đã được nghiên cứu rất nhiều trên thế giới và ở cả trong nước

Những nghiên cứu xây dựng mô hình toàn cục nhà máy nhiệt điện

Thiết kế điều khiển và chứng minh nó tốt theo toán học,theo

lý thuyết điều khiển mà chưa chứng minh được nó tốt theo bản chất vật lý

dựng nhà máy nhiệt điện

Điều khiển cân bằng năng lượng (phụ tải nhiệt) DEB [18][33][40-46]

- Nặng về thực nghiệm mà chưa chính xác các yếu tố vật lý của các quá trình [40-46]

- Không khảo sát được nhiễu tác động vào mô hình

Không quan tâm đến quá trình vật lý chi tiết

Gán cho mô hình là một hàm bậc nhất

Bỏ hết các quá trình cơ bản trong

Quy toàn bộ hoạt động điều khiển của nhà máy là một hệ điều khiển tầng hoặc một hệ SISO.

Thiết kế điều khiển và chứng minh nó tốt theo toán học, theo lý thuyết điều khiển mà chưa chứng minh được nó tốt theo bản chất vật lý

Thiết kế điều khiển và chứng minh nó tốt theo toán học,theo lý thuyết điều khiển mà chưa chứng minh được nó tốt theo bản chất vật lý

Hình 1.10 Tổng quan tình hình nghiên cứu xây dựng mô hình điều khiển hệ phụ tải nhiệt cho nhà

máy nhiệt điện đốt than

và xét được các nhiễu chính tác động đến quá trình

2- Dựa trên mô hình điều khiển phụ tải nhiệt đi hoàn thiện cấu trúc điều khiển phụ tải nhiệt

3- Áp dụng mạng Nơron-Fuzzy network để nâng cao chất lượng hệ điều khiển phụ tải nhiệt theo hướng vận hành tối ưu

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT

2.1 Xây dựng mô hình điều khiển hệ phụ tải nhiệt theo cấu trúc điều khiển và thông số nhà máy nhiệt điện Hải Phòng

2.1.1 Phương pháp xây dựng mô hình điều khiển phụ tải nhiệt

Các quá trình trong nhà máy nhiệt điện là quá trình thông số dải và có tính phi tuyến Ngày nay các hãng chế tạo nhà máy nhiệt điện đều xây dựng riêng cho mình thiết bị mô phỏng nhà máy dựa trên mô hình vật lý để thiết kế nhà máy Mô hình điều khiển phụ tải nhiệt xây dựng dựa trên sơ đồ điều khiển P&ID cơ bản của hệ điều khiển phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện Hải phòng trên hình 2.1

O C

ID

Hình 1.11 Sơ đồ điều khiển P&ID nhà máy nhiệt điện Hải Phòng

2.1.2 Các quá trình cơ bản trong lò hơi

Các quá trình cơ bản trong lò hơi được nghiên cứu, trình bày trên giản đồ công nghệ hình 2.3 gồm:

- Quá trình quá nhiệt

- Quá trình xử lý nhiên liệu và quá trình ngưng hơi, quá trình hâm nước

2.1.3 Phương pháp xây dựng các mạch vòng cơ bản điều khiển lò hơi

Các mạch vòng cơ bản trong hệ điều khiển lò hơi gồm: Mạch vòng điều khiển nồng độ oxy dư, mạch vòng điều khiển áp suất buồng đốt, mạch vòng điều khiển mức nước bao hơi Các mạch vòng này có đặc điểm chung là lượng đặt không đổi, hoạt động theo lượng nhiễu tải

2.1.4 Phương pháp xây dựng mô hình quá trình truyền nhiệt sinh hơi

Quá trình cháy và truyền nhiệt sinh hơi được xây dựng để xác định quan hệ áp suất hơi

và lưu lượng nhiên liệu Quá trình này là phi tuyến và thay đổi theo điểm làm việc Để đảm bảo đặc tính của quá trình này trong mô hình, ta viết các phương trình động học dựa trên phương pháp cân bằng năng lượng trực tiếp (Direct Energe Balance-DEB)

2.1.5 Phương pháp xây dựng mô hình hệ tuabin – máy phát

Trên hình 2.4 là mô hình hệ tuabin – máy phát trong nhà máy nhiệt điện tuabin ngưng hơi Động cơ tua bin hơi có ba tầng: Cao áp, trung áp và hạ áp, đầu vào là công suất hơi (Nh=Wh.Hh), đầu ra trục tua bin là công suất cơ (Nm=Tm.ωr)

Trích hơi cao áp

Trích hơi trung áp

Hình 1.12 Mô hình tổ hợp tua bin-máy phát trong nhà máy nhiệt điện ngưng hơi

2.2 Xây dựng mô hình điều khiển lò hơi theo thông số nhà máy nhiệt điện Hải Phòng 2.2.1 Yêu cầu than cấp vào lò

Than trước khi đưa vào buồng đốt phải đảm bảo các tiêu chuẩn đặt ra Chất lượng than được đánh giá qua các yếu tố về độ ẩm, nhiệt trị, độ mịn và tro chứa trong than:

- Thành phần hóa học của than ảnh hưởng tới quá trình cháy và sản phẩm cháy là tro

và xỉ

2.2.2 Cân bằng nhiệt tổng quát trong lò hơi

Xét nhiệt trong lò ở trạng thái làm việc ổn định, ta có cân bằng công suất nhiệt:

Công suất nhiệt dàn ống sinh hơi phụ thuộc vào lưu lượng nhiên liệu

2.2.3 Đông lực học quá trình truyền nhiệt sinh hơi

Bao hơi có hai quá trình là quá trình cân bằng khối lượng và quá trình cân bằng năng lượng

Đối với nước: Biến thiên khối lượng nước trong bao hơi bằng tổng lượng nước cấp trừ

đi nước xuống ống sinh hơi cộng với nước lên từ ống sinh hơi:

2.2.4 Mạch vòng điều khiển cấp liệu

Hệ thống điều khiển nhiên liệu than là hệ thống quan trọng bậc nhất, nó đảm bảo cân bằng năng lượng giữa đầu vào và đầu ra Lượng đặt cho hệ điều khiển nhiên liệu là tổng nhiệt năng yêu cầu được quy đổi từ công suất phát yêu cầu

Hình 1.13 Sơ đồ P&ID điều khiển cấp liệu cho buồng lửa

2.2.5 Mạch vòng điều khiển khói gió

Điều khiển lưu lượng khói có vai trò hết sức quan trọng trong việc duy trì áp suất âm của buồng đốt Khói được đưa ra khỏi lò nhờ quạt hút IDF dựa trên nguyên tắc luôn duy trì

áp suất âm của buồng đốt trong khoảng -50 Pa đến -100 Pa Vì vậy điều khiển lưu lượng khói ra sẽ phụ thuộc vào lưu lượng gió cấp

Quạt FD

Bộ sấy không khí

LÒ

Hình 1.14 Phân bố áp suất của lò

Trên hình 2.9 là sơ đồ P&ID của mạch vòng điều khiển khói gió Hệ thống này

có nhiệm vụ đảm bảo không khí cho quá trình cháy và áp suất âm buồng lửa Do vậy, hệ này cần có hai mạch vòng điều khiển là: Mạch vòng điều khiển nồng độ oxy dư và mạch vòng điều khiển áp suất âm buồng lửa

O T PT

PC P bd

Wa2

% 2

O % 2

O C



 T(o)

FT FC

a

k

Wf



Hình 1.15 Sơ đồ P&ID của hệ điều khiển khói gió

2.2.6 Mạch vòng điều khiển cấp nước cho lò hơi

Cấu trúc điều khiển mạch vòng mức nước bao hơi là cấu trúc điều khiển nối tầng Mạch vòng trong thực hiện điều khiển lưu lượng nước cấp với bộ điều khiển FC, so sánh tín

2.2.7 Mạch vòng điều khiển hơi quá nhiệt

Trên hình 2.13 mô tả nguyện lý của điều khiển hơi quá nhiệt: Đầu tiên hơi bão hòa

Wf

Wa

ID FD

Wk

TC

TT TC

Hình 1.17 Lưu đồ P&ID điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt

2.3 Xây dựng mô hình điều khiển tua bin và máy phát

2.3.1 Động học các quá trình trong tuabin

Nguyên lý làm việc của tua bin được trình bày trên hình 2.17 Hơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt độ cao khi chảy qua ống tăng tốc có diện tích tiết diện thu hẹp, tạo nên tốc độ dòng chảy rất lớn (có động năng cao) tác động vào cánh động tuabin, làm tuabin quay

Hình 1.18 Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của tuabin

Trên hình 2.18 là sơ đồ thay thế mạng hơi của tuabin, ta có bốn điểm khảo sát: H là tua bin cao áp, R tái nhiệt, I tua bin trung áp và L tua bin hạ áp

Hình 1.19 Sơ đồ thay thế mạng hơi của tuabin

Đối với tuabin: Công suất đưa vào tuabin bằng tổng công suất dòng hơi đi ra khỏi tuabin cộng với công suất cơ sinh ra từ tuabin

Đối với bộ tái nhiệt: Công suất hơi đi ra bộ tái nhiệt bằng công suất dòng hơi vào bộ tái nhiệt cộng với công suất tái nhiệt