Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển: 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:172

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài nhằm xây dựng hệ điều khiển phụ tải nhiệt của nhà máy nhiệt điện đốt than áp suất cận tới hạn để đảm bảo vận hành ổn định và tiết kiệm nhiên liệu. Để hiểu rõ hơn về đề tài, mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết luận án!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển: 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

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn. Các số liệu và kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được ai công bố trên bất cứ một công trình nào khác. Hà Nội, tháng 08 năm 2021 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Nghiên cứu sinh PGS.TS Bùi Quốc Khánh Phạm Thị Lý
LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cho phép tôi thực hiện luận án này. Cảm ơn Phòng đào tạo, Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Viện Điện đã luôn hỗ trợ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án này. Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thầy, người giáo viên hướng dẫn của tôi là PGS.TS Bùi Quốc Khánh đã luôn tận tâm, tận lực hỗ trợ, động viên, hướng dẫn về mặt chuyên môn trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án này. Xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo, cán bộ vận hành của Công ty Cổ phần Nhiệt điện Hải Phòng đã luôn tạo điều kiện để nghiên cứu sinh được thực tập tại nhà máy và tìm hiểu tài liệu, lấy số liệu sản xuất từ nhà máy phục vụ việc nghiên cứu. Đặc biệt, nghiên cứu sinh vô cùng cảm ơn sự giúp đỡ chân thành, nhiệt tình và quý báu của hai cán bộ tại nhà máy: anh Ngô Hồng Phong, Phó quản đốc Phân xưởng vận hành 2 và anh Triệu Quốc Hưng, Trưởng kíp điện, Phân xưởng Điện tự động của Công ty Cổ phần Nhiệt điện Hải Phòng. Hai anh và rất nhiều cán bộ kỹ thuật của Nhà máy nhiệt điện Hải Phòng đã luôn hỗ trợ nhiệt tình, sẵn sàng trao đổi thông tin và trả lời những thắc mắc mà nghiên cứu sinh băn khoăn về hoạt động điều khiển của Nhà máy nhiệt điện, luôn sẵn sàng cung cấp dữ liệu cho nghiên cứu sinh dù bất kể thời gian nào,… Điều này làm cho tôi biết ơn vô cùng. Chính nhờ sự giúp đỡ này nên Nghiên cứu sinh mới có thể hoàn thành được nội dung luận án của mình ngày hôm nay. Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ nghiên cứu của Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa và các giảng viên của Bộ môn Tự động hóa công nghiệp, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã đưa ra những góp ý, chỉ dẫn giúp tôi hoàn thành mô hình thử nghiệm phần cứng cho luận án của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Điện – Điện tử, Bộ môn Điều khiển học, Trường đại học Giao thông vận tải đã tạo điều kiện cho tôi được tham gia chương trình đào tạo này. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp các ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn thiện luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình (chồng và hai con trai của tôi) và bạn bè đã luôn ở bên động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình tôi tham gia khóa học này. Nghiên cứu sinh
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ......................................... i DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................. iv DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................... v MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN ....................................................................... 4 1.1 Tổng quan về công nghệ nhiệt điện ................................................................. 4 1.1.1 Phân loại ................................................................................................. 4 1.1.2 Phân loại NMNĐ theo loại tuabin .......................................................... 5 1.1.3 Phân loại NMNĐ theo áp suất hơi ......................................................... 5 1.1.4 Nguyên lý làm việc cơ bản của NMNĐ đốt than phun áp suất cận tới hạn ........................................................................................................................ 5 1.2 Tổng quan về hệ điều khiển phụ tải nhiệt ........................................................ 7 1.2.1 Các quá trình và các mạch vòng điều khiển cơ bản của hệ phụ tải nhiệt [11-15].................................................................................................................. 7 1.2.2 Cấu trúc tổng quát hệ điều khiển phụ tải nhiệt ....................................... 8 1.2.3 Các cấu trúc điều khiển của hệ phụ tải nhiệt trong nhà máy nhiệt điện11 1.3 Tổng quan những vấn đề nghiên cứu hệ điều khiển phụ tải nhiệt ................. 14 1.3.1 Những nghiên cứu cơ bản cấu trúc điều khiển phối hợp...................... 14 1.3.2 Cấu trúc điều khiển phối hợp thường dùng trong thực tế .................... 15 1.3.3 Những công trình nghiên cứu về thiết kế hệ điều khiển phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện đốt than phun ............................................................................. 16 1.4 Định hướng nghiên cứu.................................................................................. 20 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................................... 21 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT ................................................................................................................. 22 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 .............................................................. 22 2.1.1 Phương pháp xây dựng mô hình điều khiển phụ tải nhiệt .................... 22 2.1.2 Các quá trình cơ bản trong lò hơi ......................................................... 24 2.1.3 Phương pháp xây dựng các mạch vòng cơ bản điều khiển lò hơi ........ 25 2.1.4 Phương pháp xây dựng mô hình quá trình truyền nhiệt sinh hơi ......... 25
2.1.5 Phương pháp xây dựng mô hình hệ tuabin – máy phát ........................ 26 2.2 Xây dựng mô hình điều khiển lò hơi theo thông số nhà máy nhiệt điện Hải Phòng.................................................................................................................... 27 2.2.1 Yêu cầu than cấp vào lò ....................................................................... 27 2.2.2 Cân bằng nhiệt tổng quát trong lò hơi .................................................. 27 2.2.3 Động học quá trình truyền nhiệt sinh hơi ............................................. 29 2.2.4 Mạch vòng điều khiển cấp liệu............................................................. 31 2.2.5 Mạch vòng điều khiển khói gió ............................................................ 32 2.2.6 Mạch vòng điều khiển cấp nước cho lò hơi ......................................... 37 2.2.7 Mạch vòng điều khiển hơi quá nhiệt .................................................... 38 2.3 Xây dựng mô hình điều khiển tuabin và máy phát ........................................ 41 2.3.1 Động học các quá trình trong tuabin .................................................... 41 2.3.2 Động lực học máy phát......................................................................... 45 2.4 Mô phỏng hệ điều khiển phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện Hải Phòng .......... 45 2.5 Thiết kế hệ điều khiển phối hợp mới được phát triển trên cấu trúc điều khiển của Flynn .............................................................................................................. 48 2.5.1 Đề xuất cấu trúc điều khiển phối hợp mới ........................................... 48 2.5.2 Thiết kế các bộ điều khiển trong cấu trúc điều khiển phối hợp mới .... 49 2.5.3 Mô phỏng và đánh giá cấu trúc điều khiển phối hợp mới với các cấu trúc khác và với hai cấu trúc điều khiển đơn biến của hệ phụ tai nhiệt ............. 54 2.5.4 Các đáp ứng mô phỏng ......................................................................... 56 2.5.5 Đánh giá ba cấu trúc điều khiển theo chỉ tiêu vận hành tối ưu ............ 60 2.6 Ứng dụng giải thuật di truyền để tối ưu hóa tham số bộ điều khiển hệ phụ tải nhiệt ...................................................................................................................... 61 2.6.1 Các chỉ tiêu vận hành tối ưu đối với nhà máy nhiệt điện đốt than ....... 61 2.6.2 Dùng giải thuật di truyền để tìm tham số tối ưu của bộ điều khiển theo tiêu chuẩn JN và Jf .............................................................................................. 62 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .................................................................................... 67 CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON - FUZZY ĐỂ BÙ NHIỄU CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT ............................................................... 68 3.1 Ứng dụng mạng Noron - Fuzzy để thiết kế điều khiển bù nhiễu ................... 68 3.1.1 Ảnh hưởng của nhiễu đến hệ điều khiển phụ tải nhiệt và đề xuất giải pháp khắc phục .................................................................................................. 68 3.1.2 Ứng dụng mạng Noron - Fuzzy để thiết kế điều khiển bù nhiễu ......... 70 3.1.3 Thiết kế mô hình mẫu sử dụng mạng nơron......................................... 72
3.1.4 Thiết kế khâu bù nhiễu lò hơi và tuabin ............................................... 75 3.1.5 Kết quả mô phỏng ................................................................................ 84 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................... 89 CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG THIẾT BỊ MÔ PHỎNG THỜI GIAN THỰC ĐỂ KIỂM CHỨNG, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ PHỤ TẢI NHIỆT NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ................................................................... 90 4.1 Khái quát chung thiết bị mô phỏng thời gian thực......................................... 90 4.1.1 Nguyên lý về thiết bị mô phỏng thời gian thực .................................... 90 4.1.2 Chọn cấu hình thiết bị mô phỏng thời gian thực để đánh giá hệ điều khiển phụ tải nhiệt .............................................................................................. 91 4.2 Nghiên cứu đánh giá điều khiển hệ phụ tải nhiệt trên thiết bị mô phỏng thời gian thực ............................................................................................................... 92 4.2.1 Sơ đồ nguyên lý của thiết bị mô phỏng thời gian thực DSP 1104 - AC 800M .................................................................................................................. 92 4.2.2 Cấu trúc thiết bị mô phỏng thời gian thực với AC800M-DSP 1104.... 93 4.2.3 Kết quả xây dựng mô hình ................................................................... 94 4.3 Nghiên cứu đánh giá điều khiển bù nhiễu cho hệ phụ tải nhiệt trên thiết bị mô phỏng thời gian thực ............................................................................................ 97 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 .................................................................................. 100 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................... 101 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......... 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 104 PHỤ LỤC I. CÁC VẤN ĐỂ THIẾT KẾ HỆ PHỤ TẢI NHIỆT PHỤ LỤC II. NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT PHỤ LỤC III. XÂY DỰNG THIẾT BỊ MÔ PHỎNG THỜI GIAN THỰC ĐỂ KIÊM CHỨNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Nội dung, ý nghĩa Diện tích truyền nhiệt giữa thành ống sinh hơi và A m2 nước xuống Ck J/(kg.ºK) Nhiệt dung riêng của khói ra khỏi lò Cx J/(kg.ºK) Nhiệt dung riêng của xỉ than ra khỏi lò Chbh kJ/(kg.ºK) Nhiệt dung riêng của hơi bão hòa Chqn kJ/(kg.ºK) Nhiệt dung riêng của hơi quá nhiệt Cf kJ/(kg.ºK) Nhiệt dung riêng của dòng nhiên liệu đưa vào lò Cb Hằng số tích lũy nhiệt D Hằng số load-damping E J Nhiệt năng trong bao hơi GCN Bộ điều khiển công suất phát GCP Bộ điều khiển áp suất hơi GFN Bộ điều khiển feedforward lượng đặt g(∆P) Hàm phi tuyến tĩnh Hf kJ/kg Nhiệt trị làm việc của nhiên liệu than h kJ/Kg Entanpy riêng phần JN % Chỉ tiêu bám lượng đặt công suất Jf Kg/kWh Chỉ tiêu chi phí nhiên liệu KP, KI, KD Hệ số khuếch đại, tích phân, vi phân kbx, kdl kW/K Hệ số truyền nhiệt bức xạ, đối lưu đã quy đổi Hệ số truyền nhiệt giữa thành ống sinh hơi và kT kW/K nước xuống mn Kg Khối lượng nước * N , Ne MW Công suất đặt, công suất điện Ncơ, Nđiện, Nh kW Công suất cơ, điện, hơi Công suất cơ do tuabin cao áp trung áp, hạ áp NmH, NmI, NmL kW sinh ra Ph, Ph* MPa Áp suất hơi, áp suất hơi đặt pbd Pa Áp suất đo đầu ra buồng lò Qk, Qx kW Nhiệt của khói, của tro và xỉ than ra khỏi lò Qf, Qgio, Qnước kW Nhiệt lượng của nhiên liệu, gió, nước QTL, Qhh kW Nhiệt tích lũy tường lò và không khí trong lò i
Qm kW Nhiệt của dàn ống sinh hơi Qtn kW Nhiệt lượng nhận từ lò của dàn ống sinh hơi Nhiệt lượng nhận của dòng nước xuống dàn ống Qsh kW sinh hơi từ thành ống sinh hơi Tín hiệu công suất nhiệt lấy ra từ lò hơi, yêu cầu Qm, Qr từ tuabin Tk ºK Nhiệt độ khói ra khỏi lò Tx ºC Nhiệt độ xỉ than ra khỏi lò Thbh ºK Nhiệt độ hơi bão hòa Thqn ºK Nhiệt độ hơi quá nhiệt Tfo, Ta ºK Nhiệt độ nhiên liệu, không khí đưa vào lò Nhiệt độ ngọn lửa, vỏ kim loại ống dàn ống sinh TNL , Tm ºK hơi Tqd s Thời gian quá độ Te Nm Momen cản của tuabin TJ Hằng số quán tính của rotor Nội năng của nước cấp vào bao hơi, của hơi đi ra un, uh J/Kg bao hơi Vf Van nhiên liệu Vh Van hơi R Hằng số chất khí lý tưởng Wf, Wf* Kg/s Lưu lượng nhiên liệu, lưu lượng nhiên liệu đặt Wa Kg/s Lưu lượng gió vào buồng đốt Wnn, Wnc Kg/s Lưu lượng nước ngưng, nước cấp Lưu lượng nước xuống ống sinh hơi, từ ống sinh Wnx, Wnl Kg/s hơi đi lên Whv, Whr Kg/s Lưu lượng hơi vào và lưu lượng hơi ra bao hơi Wh Kg/s Lưu lượng hơi Wk Kg/s Lưu lượng khói ra khỏi lò Wx Kg/s Lưu lượng tro và xỉ than ra khỏi lò Whbh Kg/s Lưu lượng hơi bão hòa Whqn Kg/s Lưu lượng hơi quá nhiệt µh % Độ mở tuabin  % , emax % Độ quá điều chỉnh, sai lệch áp suất cực đại ∆P, ∆N Biến thiên công suất, biến thiên áp suất  1/s Tốc độ quay tuabin ii
CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Nội dung, ý nghĩa PID Proportional Integral Derivative PC Pulverized Coal CFB Circulating Fluidized Bed DEB Direct Energy Balance FDF Forced Draft Fan IDF Induced Draft Fan CV Control Valve GA Genetic Algorithm IMC Internal Model Control HIL Hardware In the Loop SIL Software In the Loop DCS Distributed Control System PLC Programmable Logic Controller ADC Analog-to-Digital Converter DAC Digital-to-Analog Converter IP Internet Protocol NMNĐ Nhà máy nhiệt điện BH Bao hơi SH Sinh hơi BN Bình ngưng HN Bộ hâm nước QN Quá nhiệt TN Tái nhiệt QK Quạt hút khói HP Tuabin cao áp IP Tuabin trung áp LP Tuabin hạ áp iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng đánh giá chất lượng của đáp ứng công suất ................................ 57 Bảng 2.2 Bảng đánh giá chất lượng của đáp ứng áp suất .................................... 57 Bảng 2.3 Giá trị các chỉ tiêu JN (%), Jf (Kg (than)/kWh) từ kết quả mô phỏng . 61 Bảng 3.1 So sánh đánh giá của đáp ứng công suất .............................................. 66 Bảng 3.2 So sánh đánh giá của đáp ứng áp suất .................................................. 66 Bảng 3.3 Giá trị các chỉ tiêu JN (%), Jf (Kg/Kwh) từ kết quả mô phỏng ............ 66 Bảng 3.4 Các quy tắc bù nhiễu của hệ phụ tải nhiệt ............................................ 81 Bảng 3.5 Bảng đánh giá chất lượng đáp ứng công suất ....................................... 86 Bảng 3.6 Bảng đánh giá chất lượng đáp ứng áp suất ........................................... 87 Bảng 4.1 Bảng phân cổng vào ra ......................................................................... 94 Bảng 4.2 Bảng tín hiệu giám sát .......................................................................... 94 Bảng 4.3 Bảng chất lượng đáp ứng công của hai chế độ ..................................... 95 Bảng 4.4 Bảng chất lượng đáp ứng áp suất của hai chế độ ................................. 96 Bảng 4.5 Bảng đánh giá chất lượng của đáp ứng công suất ................................ 98 Bảng 4.6 Đánh giá chất lượng của đáp ứng áp suất ............................................. 99 Bảng PL.III.1 Các thông số kĩ thuật quan trọng .................................................. 26 Bảng PL.III.2 Bảng đặc tả của đường vào ra I/O số ............................................ 30 Bảng PL.III.3 Bảng so sánh chất lượng đáp ứng công suất trên DS1104 và Matlab .................................................................................................................. 34 Bảng PL.III.4 Bảng so sánh chất lượng đáp ứng áp suất trên DS1104 và Matlab .............................................................................................................................. 35 iv
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu hình điển hình một tổ máy NMNĐ.................................................. 6 Hình 1.2 Giản đồ công nghệ (Process Diagram) của một tổ máy NMNĐ ............ 7 Hình 1.3 Quá trình biến đổi năng lượng của hệ phụ tải nhiệt ................................ 8 Hình 1.4 Cấu trúc tổng quát mô hình hệ điều khiển phụ tải nhiệt ......................... 9 Hình 1.5 Cấu trúc điều khiển phụ tải nhiệt theo tuabin (Turbine Following Control) ................................................................................................................ 11 Hình 1.6 Đáp ứng của điều khiển phụ tải nhiệt theo tuabin................................. 12 Hình 1.7 Cấu trúc điều khiển phụ tải nhiệt theo lò hơi (Boiler Following Control) .............................................................................................................................. 12 Hình 1.8 Đáp ứng của điều khiển phụ tải nhiệt theo lò hơi ................................. 12 Hình 1.9 Điều khiển phụ tải nhiệt theo cấu trúc phối hơp (Coordinated) ........... 13 Hình 1.10 Đáp ứng của điều khiển phụ tải nhiệt theo cấu trúc phối hợp ............ 13 Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý điều khiển phối hợp của hệ phụ tải nhiệt theo ......... 14 Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc điều khiển phối hợp (a) Đặc tính hàm bù áp suất g(ΔP) (b) ....................................................................................................... 15 Hình 1.13 Cấu trúc điều khiển phối hợp tại các nhà máy nhiệt điện đốt than phun ở Việt Nam ........................................................................................................... 16 Hình 1.14 Tổng quan tình hình nghiên cứu xây dựng mô hình điều khiển hệ phụ tải nhiệt cho nhà máy nhiệt điện đốt than ............................................................ 17 Hình 2.1 Sơ đồ điều khiển P&ID nhà máy nhiệt điện Hải Phòng ....................... 23 Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ điều khiển phụ tải nhiệt.................................................. 24 Hình 2.3 Giản đồ công nghệ (PD-Process Diagram) mô tả các quá trình cơ bản của lò hơi .............................................................................................................. 25 Hình 2.4 Mô hình tổ hợp tuabin – máy phát trong nhà máy nhiệt điện ngưng hơi .............................................................................................................................. 26 Hình 2.5 Sơ đồ P&ID điều khiển cấp liệu cho buồng lửa.................................... 32 Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển cấp liệu ........................................................ 32 Hình 2.7 Đặc tính lượng đặt nồng độ oxy dư....................................................... 33 Hình 2.8 Phân bố áp suất của lò ........................................................................... 34 Hình 2.9 Sơ đồ P&ID của hệ điều khiển khói gió ............................................... 35 Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc điều khiển khói gió...................................................... 36 Hình 2.11 Sơ đồ P&ID điều khiển mức nước bao hơi ......................................... 37 Hình 2.12 Mạch vòng điều khiển mức nước bao hơi........................................... 38 Hình 2.13 Lưu đồ P&ID điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt................................. 39 Hình 2.14 Mạch vòng điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt ..................................... 40 v
Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý của hệ tuabin - máy phát .......................................... 41 Hình 2.16 Sơ đồ mặt cắt của tuabin ..................................................................... 41 Hình 2.17 Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của tuabin ...................................... 42 Hình 2.18 Sơ đồ thay thế mạng hơi của tuabin .................................................... 43 Hình 2.19 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tuabin ......................................................... 44 Hình 2.20 Mô hình tuabin- máy phát ................................................................... 45 Hình 2.21 Cấu trúc điều khiển phối hợp của nhà máy nhiệt điện ........................ 46 Hình 2.22 Đường cong vận hành của tổ máy số 2 nhà máy nhiệt điện Hải Phòng .............................................................................................................................. 46 Hình 2.23 Đáp ứng của mô hình mô phỏng hệ phụ tải nhiệt ............................... 47 Hình 2.24 Cấu trúc điều khiển phối hợp theo Flynn ............................................ 48 Hình 2.25 Cấu trúc điều khiển phụ tải nhiệt mới được phát triển từ cấu trúc của Flynn .................................................................................................................... 49 Hình 2.26 Cấu trúc mạch vòng điều khiển áp suất hơi ........................................ 50 Hình 2.27 Đường đặc tính G(N,f) ........................................................................ 51 Hình 2.28 Đường đặc tính của g(∆P) ................................................................... 53 Hình 2.29 Đáp ứng công suất khi chỉnh định kbp (a) và độ mở van tuabin (b) .. 54 Hình 2.30 Đáp ứng của bốn mạch vòng điều khiển lò hơi với ba cấu trúc điều khiển phối hợp ...................................................................................................... 56 Hình 2.31 Đáp ứng công suất, áp suất hơi, lưu lượng nhiên liệu và lưu lượng hơi ứng với ba cấu trúc điều khiển phối hợp .............................................................. 57 Hình 2.32 Sai lệch công suất và áp suất của ba cấu trúc điều khiển phối hợp .... 58 Hình 2.33 Đáp ứng của các mạch vòng khi thay đổi nhiệt trị than...................... 59 Hình 2.34 Sai lệch công suất và áp suất của ba cấu trúc điều khiển phối hợp .... 60 Hình 3.1 Lưu đồ thuật toán GA xác định thông số PID của hai bộ điều khiển công suất Gcn và bộ điều khiển áp suất Gcp trong hệ điều khiển phối hợp mới. 64 Hình 3.2 Hàm mục tiêu J giảm dần qua 30 thế hệ của giải thuật di truyền GA .. 64 Hình 3.3 Các đáp ứng mô phỏng của chế độ điều khiển sử dụng GA ................. 65 Hình 3.4 Cấu trúc điều khiển bù nhiễu ................................................................ 71 Hình 3.5 Phương pháp huấn luyện mạng ............................................................. 72 Hình 3.6 Cấu trúc mạng nơron ............................................................................. 72 Hình 3.7 Dữ liệu đầu vào hai mạng nơron ........................................................... 73 Hình 3.8 Dữ liệu đầu ra mạng nơron công suất ................................................... 73 Hình 3.9 Dữ liệu đầu ra mạng nơron áp suất ....................................................... 73 Hình 3.10 Huấn luyện mạng noron trên Matlab .................................................. 74 Hình 3.11 Kết quả huấn luyện mạng nơron công suất phát ................................. 74 Hình 3.12 Cấu trúc bộ điều khiển mờ .................................................................. 77 vi
Hình 3.13 Mờ hóa giá trị đầu vào sai lệch công suất ........................................... 78 Hình 3.14 Mờ hóa giá trị đầu vào tốc độ sai lệch công suất ................................ 78 Hình 3.15 Mờ hóa đầu vào sai lệch áp suất ......................................................... 78 Hình 3.16 Mờ hóa giá trị đầu vào tốc độ sai lệch áp suất .................................... 79 Hình 3.17 Các tập mờ chuẩn hóa đầu ra điều khiển độ mở van tuabin Ut .......... 79 Hình 3.18 Các tập mờ chuẩn hóa đầu ra điều khiển lưu lượng nhiên liệu cấp vào lò hơi .................................................................................................................... 79 Hình 3.19 Biến ngôn ngữ đầu ra cho bù công suất .............................................. 80 Hình 3.20 Biến ngôn ngữ đầu ra bù nhiên liệu cho lò hơi ................................... 80 Hình 3.21 Luật hợp thành cho hệ bù nhiễu trên Simulink ................................... 84 Hình 3.22 Nhiễu ngẫu nhiên của quá trình truyền nhiệt sinh hơi ........................ 84 Hình 3.23 Nhiễu ngẫu nhiên các quá trình trong lò hơi làm thay đổi áp suất hơi 85 Hình 3.24 Nhiễu van điều chỉnh hơi vào tuabin .................................................. 85 Hình 3.25 Cấu trúc điều khiển bù nhiễu mô phỏng trên Simulink ...................... 85 Hình 3.26 Đáp ứng công suất khi có nhiễu và khi được bù nhiễu ....................... 86 Hình 3.27 Đáp ứng sai lệch công suất ................................................................. 87 Hình 3.28 Đáp ứng sai lệch áp suất...................................................................... 88 Hình 3.29 Các đáp ứng hệ điều khiển phụ tải nhiệt khi có bộ điều khiển bù nhiễu .............................................................................................................................. 88 Hình 4.1 Các cấu hình thiết bị mô phỏng thời gian thực ..................................... 91 Hình 4.2 Cấu trúc mô hình thực nghiệm HIL cho bộ điều khiển phụ tải nhiệt mới .............................................................................................................................. 92 Hình 4.3 Thiết bị mô phỏng thời gian thực đánh giá hệ điều khiển phụ tải nhiệt mới ....................................................................................................................... 93 Hình 4.4 Mô hình HIL của hệ phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện ......................... 94 Hình 4.5 Đáp ứng công suất ở 2 chế độ mô phỏng .............................................. 95 Hình 4.6 Đáp ứng áp suất ở hai chế độ mô phỏng ............................................... 96 Hình 4.7 Cấu trúc điều khiển phụ tải nhiệt có bộ bù nhiễu ................................. 97 Hình 4.8 Đáp ứng của bộ điều khiển công suất trong cả hai trường hợp: khi có nhiễu và khi bù nhiễu trên DS1104 ...................................................................... 98 Hình 4.9 Đáp ứng của bộ điều khiển áp suất trong cả hai trường hợp: có nhiễu tác động và khi có bù nhiễu trên DS1104 .................................................................. 99 Hình PL.I.1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển cấp than .................................................... 1 Hình PL.I.2 Nhận dạng hàm truyền cấp than ......................................................... 1 Hình PL.I.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển khói gió .................................................... 2 Hình PL.I.4 Nhận dạng hàm truyền cấp gió 2 ....................................................... 3 Hình PL.I.5 Nhận dạng hàm truyền quá trình cháy ............................................... 3 Hình PL.I.6 Sơ đồ mô phỏng mạch vòng điều khiển nồng độ oxi dư ................... 4 vii
Hình PL.I.7 Kết quả đáp ứng của nồng độ oxi dư ở tốc độ tăng tải 3MW/phút .... 4 Hình PL.I.8 Nhận dạng hàm truyền khói ............................................................... 5 Hình PL.I.9 Sơ đồ mô phỏng mạch vòng điều khiển áp suất âm buồng đốt ......... 6 Hình PL.I.10 Đáp ứng mạch vòng áp suất buồng đốt ứng với tốc độ tăng tải 3MW/phút .............................................................................................................. 6 Hình PL.I.11 Cấu trúc điều khiển mạch vòng cấp nước ........................................ 6 Hình PL.I.12 Nhận dạng hàm truyền cấp nước ..................................................... 7 Hình PL.I.13 Sơ đồ mô phỏng mạch vòng cấp nước ............................................. 8 Hình PL.I.14 Đáp ứng mức nước bao hơi ở tốc độ tăng tải 3MW/phút ................ 8 Hình PL.I.15 Đặc tính đáp ứng của nhiệt độ của quá trình quá nhiệt giảm ôn ...... 9 Hình PL.I.16 Cấu trúc điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt .................................... 10 Hình PL.I.17 Nhận dạng hàm truyền phun nước giảm ôn ................................... 10 Hình PL.I.18 Cân bằng khối lượng (a) và cân bằng công suất trong hệ tuabin (b) [4][7] .................................................................................................................... 12 Hình PL.I.19 Sơ đồ cấu trúc tuabin – máy phát ................................................... 12 Hình PL.I.20 Nhận dạng hàm truyền tuabin – máy phát ..................................... 12 Hình PL.I.21 Đặc tính của quá trình truyền nhiệt ................................................ 13 Hình PL.I.22 Đặc tính của quá trình sinh hơi ...................................................... 14 Hình PL.I.23 Đặc tính xác định quan hệ áp suất hơi và lưu lượng nhiên liệu ..... 14 Hình PL.I.24 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển phụ tải nhiệt.................................. 15 Hình PL.I.25 Sơ đồ mô phỏng các quá trình trong nhà máy nhiệt điện .............. 15 Hình PL.I.26 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phụ tải nhiệt .......................................... 16 Hình PL.III.1 Bộ điều khiển AC 800M ............................................................... 23 Hình PL.III.2 Cách thức thiết lập các I/O mở rộng ............................................. 24 Hình PL.III.3 Bộ điều khiển AC 800M sử dụng trong mô hình .......................... 26 Hình PL.III.4 Từ trái qua phải AI810, AO810, DI810, DO810 .......................... 27 Hình PL.III.5 Card DS1104 ................................................................................. 28 Hình PL.III.6 Sơ đồ khối card DS1104................................................................ 29 Hình PL.III.7 Mô hình nhà máy nhiệt điện được xây dựng trên Matlab&Simulink .............................................................................................................................. 31 Hình PL.III.8 Cấu trúc điều khiển phối hợp được xây dựng trên Matlab&Simulink ................................................................................................. 31 Hình PL.III.9 Thiết lập ban đầu cho DS1104 ...................................................... 32 Hình PL.III.10 Thiết lập thông số mô phỏng ....................................................... 32 Hình PL.III.11 Biên dịch chương trình cho DS1104 ........................................... 32 Hình PL.III.12 Giao diện Control Desk lấy đồ thị đáp ứng ................................. 33 Hình PL.III.13 Các đặc tính công suất trên DS1104 và matlab ........................... 34 viii
Hình PL.III.14 Các đặc tính áp suất trên DS1104 và Matlab .............................. 35 Hình PL.III.15 Các đặc tính của 4 mạch vòng điều khiển trên DS1104 và Matlab .............................................................................................................................. 36 Hình PL.III.16 Sơ đồ đấu dây .............................................................................. 37 Hình PL.III.17 Board đầu vào ra card DS1104.................................................... 37 Hình PL.III.18 Bảng kết nối các tín hiệu vào/ra .................................................. 38 Hình PL.III.19 Thiết kế đối tượng trên Matlab .................................................... 38 Hình PL.III.20 Các khối vào ra trong thư viện của DS1104 ............................... 39 Hình PL.III.21 Tạo project trên phần mềm Control Builder M Professional ...... 39 Hình PL.III.22 Thêm thư viện vào project........................................................... 40 Hình PL.III.23 Tạo chương trình điều khiển ....................................................... 40 Hình PL.III.24 Kết nối thư viện với chương trình ............................................... 41 Hình PL.III.25 Khai báo các biến ........................................................................ 41 Hình PL.III.26 Tổng quan về ngôn ngữ lập trình Control Module...................... 42 Hình PL.III.27 Kết nối các khối Control Module trên chương trình ................... 42 Hình PL.III.28 Kết nối các biến giá trị vào khối Control Module ....................... 43 Hình PL.III.29 Cấu hình phần cứng cho bộ điều khiển ....................................... 43 Hình PL.III.30 Kết nối các biến tới cổng vào ra .................................................. 44 Hình PL.III.31 Giao diện phần mềm Plant Explorer Workplace ......................... 45 Hình PL.III.32 Giao diện vận hành ...................................................................... 46 Hình PL.III.33 Đồ thị xu hướng........................................................................... 46 Hình PL.III.34 Cấu trúc mạng nơron ................................................................... 47 Hình PL.III.35 Dữ liệu đầu vào hai mạng nơron ................................................. 47 Hình PL.III.36 Dữ liệu đầu ra mạng nơron công suất ......................................... 47 Hình PL.III.37 Dữ liệu đầu ra mạng nơron áp suất ............................................. 48 Hình PL.III.38 Huấn luyện mạng noron trên Matlab/Simulink ........................... 48 Hình PL.III.39 Kết quả huấn luyện mạng nơron công suất phát ......................... 49 ix
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Hiện nay, có rất nhiều nhà máy nhiệt điện đốt than tại Việt Nam (cả những nhà máy cũ và những nhà máy mới được xây dựng), đóng góp một vai trò rất lớn trong việc đảm bảo an ninh năng lượng. Theo quy hoạch điện 7 (Quyết định số 428/QĐ-TTg ngày 18/3/2016), tính riêng nhà máy nhiệt điện đốt than đã chiếm 42,6% tổng công suất điện và chiếm 53.2% tổng sản lượng điện Quốc gia vào năm 2030. Dự báo, nhu cầu tiêu thụ điện tại Việt Nam tăng 10% mỗi năm trong giai đoạn 2010 - 2030 và được đáp ứng bằng việc tăng công suất điện than. Cụ thể, trong năm 2015 - 2016 nhiệt điện chiếm 34% và sẽ chiếm lên đến 49,3% trong năm 2020. 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,... Các nghiên cứu khoa học về nhiệt điện than này còn chưa đáp ứng được yêu cầu về thiết kế, chế tạo vận hành cho nhà máy nhiệt điện than, chưa có những đề tài lớn, giải quyết những nhiệm vụ nghiên cứu lớn của nhiệt điện than như xác định và chuẩn hóa các thông số làm cơ sở cho việc thiết lập dự án nhiệt điện than (như các thông số về khí tượng thủy văn, về động đất, về các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, v.v), về xây dựng các chế độ vận hành tối ưu mà hiệu quả của nó có thể tiết kiệm hàng triệu tấn than/năm, về nghiên cứu quá trình đốt cháy các loại than khác nhau và kiến nghị chọn loại than thiết kế cho mỗi loại nhà máy nhiệt điện than, về các nghiên cứu cơ bản khác, v.v. Các nội dung cụ thể về nghiên cứu khoa học đáp ứng đủ nhu cầu phát triển nhiệt điện than của đất nước cần được đưa vào các chương trình nghiên cứu khoa học và công nghệ trọng điểm nhà nước như các chương trình về năng lượng, về cơ khí chế tạo, về vật liệu, về vận hành tối ưu nâng cao hiệu quả sản xuất và tiết kiệm nhiên liệu, v.v…Việc tiết kiệm nhiên liệu trong sản xuất điện năng có ý nghĩa rất lớn trong sản xuất điện năng và bảo vệ môi trường, do đó cần có những chính sách khuyến khích để có thể đề xuất ra những biện pháp tích kiệm nhiên liệu trong sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện. 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 1
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 lượng 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 “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” 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 (bám nhanh lượng đặt công suất và lượng đặt áp suất) mà tiết kiệm được nhiên liệu tiêu thụ cho mỗi kWh sản xuất ra. 2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu a. Mục tiêu của luận án Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển phụ tải nhiệt của nhà máy nhiệt điện đốt than áp suất cận tới hạn để đảm bảo vận hành ổn định và tiết kiệm nhiên liệu. Đối tượng nghiên cứu Hệ điều khiển phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện đốt than phun, tuabin ngưng hơi và áp suất hơi cận tới hạn. b. Phạm vi nghiên cứu của đề tài Thiết kế hệ điều khiển phụ tải nhiệt theo cấu trúc phối hợp cho nhà máy nhiệt điện đốt than phun, tuabin ngưng hơi và áp suất hơi cận tới hạn. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm: - Xây dựng mô hình điều khiển phụ tải nhiệt có xét đến các quá trình cơ bản của hệ lò hơi – tuabin – máy phát, từ đó đi thiết kế hệ điều khiển phụ tải nhiệt mới theo tiêu chuẩn tối ưu vận hành tiết kiệm nhiên liệu. - Kiểm chứng kết quả nghiên cứu dựa trên mô hình hóa mô phỏng bằng Matlab&Simulink và bằng mô hình thực nghiệm mô phỏng thời gian thực. Mô hình thực nghiệm mô phỏng thời gian thực được xây dựng trên bộ điều khiển công nghiệp AC800M và DS1104. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án: - Đưa ra một phương pháp thiết kế hệ điều khiển phụ tải nhiệt cấu trúc phối hợp theo tiêu chuẩn vận hành tối ưu tiết kiệm nhiên liệu cho nhà máy nhiệt điện đốt than tuabin ngưng hơi. - Cấu trúc điều khiển hệ điều khiển phụ tải nhiệt đề xuất có khả năng ứng dụng vào cho hệ điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than tuabin ngưng hơi. 2
4. Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu - Đề xuất cấu trúc điều khiển phối hợp mới và thiết kế hệ điều khiển phụ tải nhiệt cho nhà máy nhiệt điện đốt than. - Xác định thông số tối ưu cho bộ điều khiển bằng cách áp dụng giải thuật di truyền GA. - Áp dụng mạng noron-mờ để ước lượng và bù nhiễu nhằm nâng cao chất lượng hệ điều khiển phụ tải nhiệt cho nhà máy nhiệt điện. 5. Cấu trúc của luận án Luận án được cấu trúc thành bốn chương, bao gồm: Chương 1: Tổng quan hệ điều khiển phụ tải nhiệt trong nhà máy nhiệt điện đốt than Chương 2: Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển phụ tải nhiệt Chương 3: Ứng dụng mạng Nơron –Fuzzy để bù nhiễu cho hệ điều khiển phụ tải nhiệt. Chương 4: Xây dựng thiết bị mô phỏng thời gian thực để kiểm chứng, đánh giá chất lượng hệ điều khiển phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện. 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 và các phụ lục I, II, III. 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN Đặt vấn đề Nhà máy điện nhiệt (NMNĐ) đốt than gồm tập hợp rất nhiều thiết bị trong các quá trình để biến đổi năng lượng: Chuyển hóa nhiệt năng từ đốt cháy các loại nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí…) trong lò hơi, truyền nhiệt cho môi chất là nước để hóa hơi, sau đó hơi sẽ được dẫn đi đến tuabin – máy phát để sinh công và phát điện năng. Như vậy lò hơi là nguồn phát nhiệt, tuabin – máy phát là hộ phụ tải tiêu thụ nhiệt. Hệ điều khiển phụ tải nhiệt được hiểu là với một yêu cầu công suất điện cần phát, ta phải điều khiển các đại lượng đầu vào lò hơi (than, gió, nước) và điều khiển các quá trình biến đổi năng lượng trong lò hơi tạo ra năng lượng nhiệt cấp cho hệ tuabin – máy phát (hộ tiêu thụ nhiệt) phát ra công suất điện đáp ứng theo yêu cầu. Vì vậy, hệ điều khiển phụ tải nhiệt là cốt lõi của hệ điều khiển nhà máy nhiệt điện, nó ảnh hưởng tới ổn định và chất lượng của sản xuất điện năng trong nhà máy điện. Trong chương này sẽ đi nghiên cứu tổng quan các cấu trúc điều khiển trong hệ phụ tải nhiệt và các vấn đề nghiên cứu nâng cao chất lượng cho hệ điều khiển phụ tải nhiệt, từ đó xác định phạm vi nghiên cứu và mục tiêu của luận án. 1.1 Tổng quan về công nghệ nhiệt điện 1.1.1 Phân loại [1][2][3][4][5][6] 1.1.1.1. Công nghệ đốt than phun (Pulverized Coal –PC) Công nghệ đốt than phun là công nghệ truyền thống được áp dụng rộng rãi nhất trong các 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, hỗn hợp với không khí và tiến hành các giai đoạn của quá trình cháy trong không gian buồng lửa. Lò hơi đốt than phun được sản xuất với rất nhiều loại công suất, từ vài chục đến cỡ 1300MW. Các lò hơi đang vận hành hiện nay phổ biến là trong dải công suất từ 300-600MW thông số cận tới hạn (16,7MPa, 538oC/538oC), tuy nhiên xu hướng hiện nay của thế giới là sử dụng các tổ máy lớn với thông số siêu tới hạn (24,2MPa, 566oC/566oC) và trên siêu tới hạn (31MPa, 600oC/650oC). 1.1.1.2. Công nghệ đốt tầng sôi tuần hoàn (CFB) 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 có nhiệt độ từ 8500 C đến 9500C. Các lò CFB cho phép sử dụng các loại nhiên liệu biến thiên trong dải rộng: than xấu, than bùn, than antraxit, than bitum,... Gần đây cũng đã xuất hiện lò 4
CFB siêu tới hạn với công suất lớn được đưa vào vận hành (ví dụ tại Lagisza, Ba Lan, thông số 28,3 MPa, 563°C/582°C, công suất 460MW bởi Foster Wheeler). 1.1.2 Phân loại NMNĐ theo loại tuabin [1][2][3][6][7] Tuabin 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. Loại tuabin này dùng cho nhà máy phát điện công suất lớn. Tuabin 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...). Nhà máy điện tuabin đối áp được dùng trong các nhà máy hóa chất, các nhà máy chế biến thực phẩm v.v..., thường có công suất nhỏ cỡ 30MW. 1.1.3 Phân loại NMNĐ theo áp suất hơi [3][7] 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). Có nhiều phân chia khác nhau về ranh giới giữa siêu tới hạn và trên siêu tới hạn, dưới đây là các thông số điển hình cho các loại nhà máy dưới tới hạn, siêu tới hạn và trên siêu tới hạn trên thế giới:  Cận tới hạn (Subcritical): áp suất hơi quá nhiệt 16,7MPa, nhiệt độ quá nhiệt/ tái nhiệt 538°C/538°C.  Siêu tới hạn (Supercritical): áp suất hơi quá nhiệt 24,2MPa, nhiệt độ quá nhiệt/ tái nhiệt 566°C/566°C.  Trên siêu tới hạn (Ultra-supercritical): áp suất hơi quá nhiệt 31MPa, nhiệt độ quá nhiệt/ tái nhiệt 600°C/600°C. Hiện nay trên thế giới, các nhà máy nhiệt điện thông số hơi cận tới hạn vẫn là chủ đạo kể cả ở những nước phát triển, nhưng xu hướng sử dụng thông số siêu tới hạn ngày càng phổ biến, nhất là ở những nơi giá nhiên liệu đắt và phải chịu nhiều sức ép cắt giảm khí phát thải nhà kính. Thông số hơi trên siêu tới hạn cũng rất được quan tâm, nhưng còn gặp nhiều trở ngại về việc phát triển các vật liệu cao cấp cho chế tạo lò hơi và tuabin. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, tác giả nghiên cứu hệ phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện lò hơi đốt than phun, tuabin ngưng hơi, áp suất cận tới hạn là 16,7MPa, nhiệt độ hơi quá nhiệt là 538 - 541°C. 1.1.4 Nguyên lý làm việc cơ bản của NMNĐ đốt than phun áp suất cận tới hạn [3][4][5][8][9][10] 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 đưa ra một cấu hình điển hình của một nhà máy nhiệt điện: 5
Hình 1.1 Cấu hình điển hình một tổ máy NMNĐ[3][9] Sơ đồ nhiệt nguyên lý (mặt cắt đứng) một tổ máy nhiệt điện được thể hiện tại hình 1.1, và hình 1.2 thể hiện giản đồ công nghệ của một tổ máy trong nhà máy nhiệt điện gồm: một lò hơi, một tuabin-máy phát. Đây là tổ máy có lò hơi đốt than phun, có bao hơi (Drum). Nguyên lý vận hành cho tổ máy như sau: Nhiên liệu gồm than (Wf) và gió (Wa) được đưa vào buồng đốt với lưu lượng tùy theo công suất đặt. Nước từ bao hơi (BH) đi xuống các đường ống sinh hơi (SH) được bố trí xung quanh thành lò, nước sẽ nhận nhiệt năng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu trong lò và trở thành hơi bão hòa. Hơi nước bão hòa sẽ được gia nhiệt từ các bộ quá nhiệt trần, quá nhiệt hộp, quá nhiệt tường phân chia, quá nhiệt cấp 1, quá nhiệt cấp 2, quá nhiệt cấp 3 và được phun giảm ôn để điều chỉnh nhiệt độ khoảng 541ºC để có thể đi tiếp vào tuabin cao áp (HP) sinh công (các bộ quá nhiệt, giảm ôn được vẽ tượng trưng trên hình vẽ QN). Hơi đi vào tuabin cao áp có nhiệt độ là 541ºC và áp suất là khoảng 16,7Mpa và hơi ra từ tuabin cao áp có áp suất giảm còn 4,3MPa đồng thời nhiệt độ hơi cũng giảm còn khoảng hơn 350ºC (Do hơi đã mất đi một lượng nhiệt lớn để sinh công làm quay cánh tuabin cao áp). Vì vậy hơi này được đưa về bộ tái nhiệt (TN) để gia nhiệt bằng khói để đạt được nhiệt độ khoảng 540ºC và áp suất khoảng 4,1 MPa, sau đó được đưa vào tuabin trung áp (IP) để tiếp tục sinh công. Sau khi ra khỏi tuabin trung áp, dòng hơi sẽ đi tiếp đến tuabin hạ áp (LP) để sinh công lần cuối. Tuabin quay sẽ làm quay máy phát (G) và phát điện, tốc độ quay của máy phát được giữ 3000v/p để đảm bảo tần số lưới là 50Hz. Hơi sau khi sinh công từ tuabin hạ áp lúc này có áp suất xấp xỉ áp suất khí quyển (khoảng 1atm), nhiệt độ đã giảm nhiều so với dòng hơi chính vào tuabin cao áp, tuy nhiên vẫn là rất cao và được đưa xuống bình ngưng để ngưng (BN) trở lại thành nước. Bình ngưng có hệ thống nước làm mát tuần hoàn và hệ thống hút chân không làm cho hơi nước được ngưng tụ nhanh chóng. Sau đó, nước được bơm trở lại bằng bơm Bnc, dòng nước Wnn được qua bộ hâm (HN) để gia nhiệt rồi được quay trở lại bao hơi theo điều khiển mức nước bao hơi. Trên hình vẽ ta thấy có đường nối tắt sau bơm quay trở lại bình 6