Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật nhiệt: Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:196

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật nhiệt "Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về nhà máy nhiệt điện đốt than phun, nguyên nhân dẫn tới sự cần thiết phải nghiên cứu hiệu chỉnh trong nhà máy nhiệt điện; Phân tích yếu tố ảnh hưởng tới các mạch vòng điều khiển trong nhà máy nhiệt điện đốt than phun; Phương pháp ứng dụng mạng nơron để nhận dạng hệ điều khiển nhà máy từ số liệu vận hành.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật nhiệt: Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Tiến Sáng PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG VÀ HIỆU CHỈNH CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN PHUN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT Hà Nội - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Tiến Sáng PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG VÀ HIỆU CHỈNH CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN PHUN Ngành: Kỹ thuật nhiệt Mã số: 9520115 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Lê Đức Dũng PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Hà Nội - 2022
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án “Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun” là nghiên cứu của tôi được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Đức Dũng và PGS.TS. Bùi Quốc Khánh. Các số liệu nêu trong quyển luận án hoàn toàn trung thực. Những kết quả của luận án chưa từng được ai công bố trên bất kỳ một công trình nào khác. Hà Nội, ngày 04 tháng 01 năm 2022 Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh TS. Lê Đức Dũng PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Nguyễn Tiến Sáng i
LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới tập thể hướng dẫn của tôi là TS. Lê Đức Dũng và 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. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, góp ý, thời gian của các thầy cô tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt-Lạnh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hướng dẫn và chỉ báo cho tôi những vấn đề có liên quan đến luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, lãnh đạo các Viện liên quan đã hỗ trợ tôi hoàn thành chương trình học nghiên cứu sinh này. Tôi chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Tổng công ty Phát điện 1 đã hỗ trợ rất nhiều điều kiện quá trình tìm hiểu thực tế cũng như bố trí công việc hợp lý để tôi có thể hoàn thành chương trình học tập nghiên cứu sinh này. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và người thân luôn bên cạnh quan tâm, động viên và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể giành thời gian thực hiện luận án, đồng thời luôn sẻ chia những khó khăn và động viên tôi trong quá trình nghiên cứu. Hà Nội, ngày 04 tháng 01 năm 2022 Nghiên cứu sinh Nguyễn Tiến Sáng ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ............................................................................ ix MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. ......................................................................................................................... 4 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ NHẬN DẠNG VÀ CHỈNH ĐỊNH CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ................................................................................... 4 1.1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CƠ BẢN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN PHUN ............................................................................................................................... 4 1.1.1. Lò hơi nhà máy nhiệt điện đốt than phun ..................................................... 5 1.1.2. Tuabin nhà máy nhiệt điện ........................................................................... 7 1.2. NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN CẦN PHẢI HIỆU CHỈNH VÀ CHỈNH ĐỊNH CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN PHUN CÔNG NGHỆ CẬN TỚI HẠN .................................................................................................... 7 1.2.1. Đặc trưng quá trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện .................................... 7 1.2.2. Công tác sửa chữa bảo dưỡng hệ thống thiết bị ........................................... 8 1.2.3. Thành phần nhiên liệu than ........................................................................... 8 1.2.4. Những ví dụ về thực trạng vận hành tại NMNĐ Duyên Hải 1 ................... 10 1.3. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG THAM SỐ CỦA CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN TRONG CÔNG NGHIỆP .................................... 14 1.3.1. Phương pháp mô hình đối tượng ................................................................. 14 1.3.2. Nguyên tắc nhận dạng đối tượng điều chỉnh trong công nghiệp ................ 16 1.4. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH VÀ CHỈNH ĐỊNH CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN .............................................................................. 17 1.4.1. Chỉnh định hệ thống điều khiển .................................................................. 18 1.4.2. Đánh giá các mạch vòng cần chỉnh PID ..................................................... 23 1.4.3. Hiệu chỉnh lượng đặt, thông số khởi tạo của toàn bộ quá trình nhiệt trong nhà máy điện theo thời gian ...................................................................................... 24 1.5. KHÁI QUÁT CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU VỀ NHẬN DẠNG VÀ CHỈNH ĐỊNH CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG CÔNG NGHIỆP .............................. 25 1.5.1. Khái quát nhận dạng đối tượng điều khiển trong công nghiệp .................. 25 1.5.2. Khái quát về chỉnh định PID trong NMNĐ ................................................ 26 1.5.3. Nghiên cứu ứng dụng mạng nơron trong nhận dạng và điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than ...................................................................................................... 31 iii
1.6. ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU VỀ NHẬN DẠNG VÀ CHỈNH ĐỊNH HỆ ĐIỀU KHIỂN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN PHUN CÔNG NGHỆ CẬN TỚI HẠN ........................................................................................................................ 34 1.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................................... 36 CHƯƠNG 2. ....................................................................................................................... 37 PHÂN TÍCH YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN PHUN ..................................... 37 CHƯƠNG 1. .................................................................................................................. 37 2.1. SƠ ĐỒ CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN THAN ................................................................................................................... 37 2.2. PHÂN TÍCH MẠCH VÒNG CẤP NƯỚC ......................................................... 40 2.3. PHÂN TÍCH MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN KHÓI GIÓ ................................... 44 2.3.1. Thành phần và vai trò của hệ thống khói gió ................................................... 44 2.3.2. Mạch vòng điều khiển nồng độ oxy dư trong khói thải .................................... 47 2.3.3. Mạch vòng điều khiển áp suất âm buồng đốt ................................................... 49 2.4. PHÂN TÍCH MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HƠI........................... 51 2.5. HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT .................................................................. 54 2.5.1. Phân tích các cấu trúc điều khiển phụ tải nhiệt ............................................... 56 2.5.2. Phân tích mạch vòng điều khiển phụ tải nhiệt ................................................. 61 2.6. ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA CÁC THỐNG SỐ QUÁ TRÌNH ..................... 68 2.6.1. Mô phỏng hệ điều khiển ................................................................................... 68 2.6.2. Kiểm chứng kết quả hoàn thiện mô hình theo số liệu NMNĐ Duyên Hải 1 .... 70 2.6.3. Đánh giá chất lượng điều khiển ....................................................................... 72 2.6.4. Đánh giá tác động của thông số quá trình tới đáp ứng hệ thống .................... 73 1.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .................................................................................... 77 CHƯƠNG 3. ....................................................................................................................... 78 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHẦN TỬ DỰ BÁO KẾT HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỂ CHỈNH ĐỊNH CÁC MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN ...................................................... 78 3.1. PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP KHÂU DỰ BÁO VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN ............ 78 3.1.1. Phương pháp luận ............................................................................................ 78 3.1.2. Thiết kế hệ thống điều khiển kết hợp dự báo theo tín hiệu số .......................... 80 3.2. PHẦN MỀM HỖ TRỢ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN .............. 85 3.2.1. Chức năng chính của phần mềm ...................................................................... 85 3.2.2. Các cửa sổ chính của phần mềm ...................................................................... 87 3.3. ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CHỈNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN .................. 89 3.3.1. Thiết kế bộ điều khiển PI .................................................................................. 89 3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID dạng thực .............................................................. 92 3.3.3. Thiết kế mạch vòng điều khiển nồng độ oxy dư của tổ máy S1 NMNĐ Duyên Hải 1 .................................................................................................................................. 94 iv
3.3.4. Thiết kế bộ điều khiển Fuel Master và Boiler Master của tổ máy S1 NMNĐ Duyên Hải 1 ............................................................................................................... 96 3.4. CHUYỂN ĐỔI THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀO THỰC TẾ ....................... 99 3.4.1. Cấu trúc điều khiển thực tế tại NMNĐ Duyên Hải 1 ....................................... 99 3.4.2. Phương pháp chuyển đổi tham số bộ điều khiển............................................ 100 3.5. MỘT SỐ NỘI DUNG CẦN PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI ................ 102 3.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................. 103 CHƯƠNG 4. ..................................................................................................................... 104 ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO NHẬN DẠNG VÀ HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN ................ 104 4.1. VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN........................................................................................... 104 4.1.1. Nguyên lý ứng dụng mạng nơron nhân tạo trong nhận dạng và hiệu chỉnh hệ điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than.................................................................... 104 4.1.2. Phương án triển khai nghiên cứu thực tế ....................................................... 106 4.2. ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON NHẬN DẠNG TRẠNG THÁI VẬN HÀNH HỆ ĐIỀU KHIỂN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN............................................... 106 4.2.1. Thiết kế mạng nơron nhận dạng hệ điều khiển .............................................. 106 4.2.2. Kết quả mô phỏng .......................................................................................... 109 4.3. ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON ĐỂ HIỆU CHỈNH LƯỢNG ĐẶT HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN ........................... 112 4.3.1. Điều chỉnh lưu lượng than khi nhiệt trị thay đổi ............................................ 112 4.3.2. Phương pháp luận sử dụng mạng nơron ........................................................ 114 4.3.3. Nhận dạng thời gian thực............................................................................... 116 4.3.4. Tác động theo thời gian dự báo ..................................................................... 119 4.4. ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON ĐÁNH GIÁ CẤU TRÚC HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT ................................................................................................................... 120 4.4.1. Kịch bản mô phỏng ........................................................................................ 120 4.4.2. Kết quả trên Matlab/Simulink ........................................................................ 122 4.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 .................................................................................. 126 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 127 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ......................... 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 129 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Ý nghĩa 1 a0 ,a1 ,...,an Hằng số quán tính của mẫu thức 2  Hệ số hàm truyền 3 A ( ) Biên độ dao động hệ kín 4 BF Chế độ điều khiển lò hơi theo tuabin Hệ thống điều khiển phối hợp lò hơi – tuabin (Coordinated 5 CCS control system) 6 C Nhiệt dung riêng của vật chất 7 CFB Lò tầng sôi (Circulating Fluidized Boiler) 8 c,u, Vận tốc tuyệt đối, vận tốc quay, vận tương tương đối tuabin 9 DCS Hệ thống điều khiển phân tán (Distributed control system) 10  Sai lệch điều khiển 11 i Biến đếm, chạy thuật toán 12 IDF Quạt khói (Induced Draft Fan) 13 j Đơn vị ảo j 2 = −1 14 F ( ) Hàm hỗ trợ xây dựng tham số bộ điều khiển 15 FDF Quạt gió cấp 2, gió chính (Forced Draft Fan) 16  Tần số phi thứ nguyên 17 G Hàm truyền quá trình 18 Gc ( s ) Hàm truyền bộ điều khiển (controller) 19 Gp ( s ) Hàm truyền đối tượng quá trình (process) 20 GD ( s ) Hàm truyền nhiễu quá trình 21 H(s) Hàm truyền hệ hở 22 Hf Nhiệt trị làm việc của nhiên liệu 23 Im Phần ảo của số thực hoặc đặc tính tần số 24 L Công có ích 25 m0 Hằng số tỉ lệ, tích phân, vi phân của bộ điều khiển PID 26  Tín hiệu điều khiển 27 m0 Chỉ số dao động cứng vi
28 m ( ) ,m0 Chỉ số dao động mềm và giá trị ban đầu 29 M Giá trị dự trữ biên độ dao động 30 MV Tín hiệu tác động điều khiển 31 Ne Công suất điện 32 NMNĐ Nhà máy nhiệt điện 33 MISO Nhiều vào - một ra (Multi input - Single output) 34 P Áp suất 35 PC Lò hơi than phun (Pulverized Coal) PID Bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân, vi phân (Proportional Integral 36 kp, Ti, Td, kd Derivative) và các hệ số bộ điều khiển 37 Q Nhiệt lượng 38 Re Phần thực của số thực hoặc đặc tính tần số 39 RH1,2 Bộ tái nhiệt 1, 2 (Reheater 1,2) 40 SISO Một vào - một ra (Single input - Single output) 41 SH1,2,3 Bộ quá nhiệt 1, 2, 3 (Superheat) 42 s Toán tử Laplace 43  Hằng số quán tính của hệ 44 t Biến thời gian 45 t Khoảng thời gian lấy mẫu 46 TF Chế độ tuabin theo lò hơi 47 T Nhiệt độ 48 Tf Hệ số bộ lọc hệ điều khiển 49 x Tín hiệu đầu vào khâu cơ bản 50 y Tín hiệu đầu ra khâu cơ bản 51  Tần số dao động 52 W Lưu lượng vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Phân tích đánh giá dao động của nhiên liệu và áp suất .................................................... 12 Bảng 1.2. Tổng hợp thống kê suất hao than đầu cực tổ máy S1 NMNĐ Duyên Hải 1 .................... 13 Bảng 1.3. Mô hình đặc trưng của đối tượng quá trình trong công nghiệp ....................................... 15 Bảng 2.1. Thời gian đáp ứng và độ quá điều chỉnh theo ba chế độ.................................................. 72 Bảng 2.2. Sai lệch công suất theo ba chế độ vận hành ..................................................................... 72 Bảng 2.3. Giá trị các chỉ tiêu JN (MWh), Jf (kgthan/kWh) từ kết quả mô phỏng ............................... 73 Bảng 3.1. Mô hình số các khâu động học cơ bản ............................................................................. 82 Bảng 3.2. Đánh giá chỉ tiêu mạch điều khiển áp suất hơi theo lượng đặt ........................................ 98 Bảng 3.3. Công thức quy đổi hệ số PID mô phỏng sang bộ điều khiển thực tế ............................. 102 Bảng 4.1. Tổng hợp chất lượng các mạng nơron ........................................................................... 110 Bảng 4.2. Phân tích rời rạc các dao động sai lệch đầu ra của mạng nơron .................................... 111 Bảng 4.3. Sai lệch công suất theo ba chế độ vận hành ................................................................... 121 Bảng 4.4. Sai lệch công suất khi kết hợp mạng nơron ................................................................... 124 viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cấu hình cơ bản tổ máy nhiệt điện đốt than ....................................................................... 4 Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý lò hơi đốt than phun công nghệ cận tới hạn ............................................ 6 Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý thể hiện đường đi của hơi và nước .......................................................... 6 Hình 1.4. Minh họa cấu tạo của tuabin hơi trong nhà máy nhiệt điện ............................................... 7 Hình 1.5. Thành phần nhiên liệu rắn .................................................................................................. 9 Hình 1.6. Biểu đồ công suất phát và lưu lượng nhiên liệu vào lò hơi .............................................. 10 Hình 1.7. Biểu đồ dao động nhiên liệu và áp suất hơi tổ máy S1 - NMNĐ Duyên Hải 1................ 11 Hình 1.8. Biểu đồ công suất (a) và lưu lượng nhiên liệu (b) tổ máy S1 ngày 10/3/2020 ................. 13 Hình 1.9. Biểu đồ công suất (a) và lưu lượng nhiên liệu (b) tổ máy S2 ngày 10/3/2020 ................. 13 Hình 1.10. Sơ đồ thực nghiệm nhận dạng đối tượng mạch hở (Open Test)..................................... 16 Hình 1.11. Sơ đồ thực nghiệm nhận dạng đối tượng trong hệ thống kín (Close Test) ..................... 17 Hình 1.12. Đặc tính mềm và cứng hệ hở mạch vòng đơn ................................................................ 20 Hình 1.13. Đặc tính cứng hệ hở mạch hai vòng và biên độ dao động hệ kín ................................... 22 Hình 1.14. Tỉ lệ chỉnh định theo các dạng mô hình đối tượng [44] ................................................. 26 Hình 1.15. Nguyên lý PID tự điều chỉnh [48] .................................................................................. 29 Hình 1.16. Nguyên lý Gain-scheduling PID [48] ............................................................................. 30 Hình 1.17. Nguyên lý multi-model MPC[48] .................................................................................. 30 Hình 1.18. Mô hình mạng nơron sinh học ....................................................................................... 31 Hình 1.19. Cấu trúc nơron nhân tạo ................................................................................................. 31 Hình 1.20. Cấu trúc mạng nơron nhân tạo ....................................................................................... 32 Hình 1.21. Nguyên lý mô hình kín lò hơi - tuabin [58].................................................................... 33 Hình 1.22. Sơ đồ khối thể hiện quá trình triển khai nghiên cứu ...................................................... 35 Hình 2.1. Sơ đồ P&ID của nhà máy nhiệt điện đốt than phun ......................................................... 38 Hình 2.2. Kịch bản công suất phát điện ........................................................................................... 39 Hình 2.3. Các dạng kịch bản tác động nhiễu .................................................................................... 40 Hình 2.4. Sơ đồ P&ID điều khiển mức nước bao hơi [12]............................................................... 41 Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng cấp nước [8-10,12,14,15]....................................................... 42 Hình 2.6. Mô hình mô phỏng mạch vòng điều khiển mức nước ...................................................... 43 Hình 2.7. Mô phỏng đáp ứng của mức nước bao hơi khi tăng giảm công suất ................................ 43 Hình 2.8. Xác định lượng đặt nồng độ oxy dư trong khói thải [12] ................................................. 45 Hình 2.9. Phân bố áp suất: nét liền công suất 100%RO [12] ........................................................... 45 Hình 2.10. Sơ đồ P&ID hệ điều khiển khói gió [12]........................................................................ 46 Hình 2.11. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh nồng độ %O2 [12].............................................. 47 Hình 2.12. Mô hình mô phỏng mạch vòng điều khiển nồng độ oxy dư ........................................... 48 Hình 2.13. Mô phỏng đáp ứng mạch vòng điều khiển nồng độ oxy dư ........................................... 49 Hình 2.14. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển áp suất âm buồng đốt [10,12] ............................. 49 Hình 2.15. Mô hình mô phỏng mạch vòng điều khiển áp suất buồng đốt........................................ 50 Hình 2.16. Đáp ứng mô phỏng mạch vòng điều khiển áp suất buồng đốt ....................................... 50 Hình 2.17. Sơ đồ P&ID điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt [12] ....................................................... 51 Hình 2.18. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt [12,23,24] ....................... 53 ix
Hình 2.19. Mô hình mạch vòng nhiệt độ hơi quá nhiệt theo biểu đồ công suất ............................... 54 Hình 2.20. Đáp ứng của mạch vòng nhiệt độ hơi quá nhiệt theo biểu đồ công suất ........................ 54 Hình 2.21. Cấu trúc chung điều khiển lò hơi [10,18] ....................................................................... 55 Hình 2.22. Cấu trúc điều khiển phụ tải theo tuabin [12] .................................................................. 57 Hình 2.23. Cấu trúc điều khiển phụ tải theo lò hơi [12] ................................................................... 57 Hình 2.24. Cấu trúc điều khiển phối hợp [12].................................................................................. 59 Hình 2.25. Sơ đồ P&ID điều khiển áp suất và công suất điện theo 3 chế độ [12] ........................... 60 Hình 2.26. Sơ đồ P&ID điều khiển cấp nhiên liệu than vào lò hơi [12] .......................................... 62 Hình 2.27. Sơ đồ cấu trúc điều khiển áp suất hơi [9,12,24] ............................................................. 63 Hình 2.28. Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của tuabin [22] .......................................................... 64 Hình 2.29. Sơ đồ nguyên lý mạng hơi của tuabin [12] .................................................................... 65 Hình 2.30. Cấu trúc điều khiển tuabin-máy phát ............................................................................. 66 Hình 2.31. Mô hình điều khiển tuabin - máy phát [10,26] ............................................................... 67 Hình 2.32. Mô hình điều khiển tổ máy 622,5 MW - S1 NMNĐ Duyên Hải 1 ................................ 69 Hình 2.33. Đáp ứng của bốn mạch vòng điều khiển lò hơi với ba chế độ vận hành ........................ 70 Hình 2.34. Đáp ứng công suất, nhiên liệu, lưu lượng hơi và áp suất hơi theo ba chế độ ................. 71 Hình 2.35. Sai lệch công suất theo ba chế độ ................................................................................... 72 Hình 2.36. Biểu đồ thay đổi sai lệch công suất khi lưu lượng hơi và nước cấp thay đổi ................. 74 Hình 2.37. Biểu đồ thay đổi sai lệch công suất khi lưu lượng gió cấp 2 thay đổi ............................ 75 Hình 2.38. Biểu đồ thay đổi sai lệch công suất khi lưu lượng phun giảm ôn thay đổi..................... 75 Hình 2.39. Biểu đồ thay đổi sai lệch công suất khi lưu lượng nhiên liệu thay đổi........................... 76 Hình 2.40. Biểu đồ thay đổi sai lệch công suất khi nhiệt trị than thay đổi ....................................... 77 Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý chung của cấu trúc điều khiển ............................................................... 78 Hình 3.2. Đáp ứng bước của hệ thống và tín hiệu điều khiển theo nhiễu ........................................ 84 Hình 3.3. Đáp ứng bước của hệ thống và tín hiệu điều khiển theo lượng đặt .................................. 85 Hình 3.4. Lưu đồ chung sử dụng phần mềm .................................................................................... 86 Hình 3.5. Module khai báo bài toán thiết kế và nhập hàm truyền đối tượng ................................... 87 Hình 3.6. Module thể hiện phương pháp chỉnh định tại [24] ........................................................... 88 Hình 3.7. Module thể hiện phương pháp chỉnh định tại [35-37] ...................................................... 89 Hình 3.8. Đặc tính mềm hệ hở mạch vòng đơn khi thay đổi thời gian dự báo................................. 90 Hình 3.9. Đồ thị hàm hỗ trợ và đặc tính cứng hệ hở ........................................................................ 91 Hình 3.10. Đáp ứng bước theo lượng đặt của hệ thống ................................................................... 92 Hình 3.11. Đáp ứng bước theo nhiễu của hệ thống .......................................................................... 92 Hình 3.12. Hàm bổ sung và đặc tính cứng của mạch hở .................................................................. 93 Hình 3.13. Đáp ứng bước đầu ra của hệ thống theo lượng đặt và kênh nhiễu ................................. 94 Hình 3.14. Đáp ứng bước của mạch điều khiển Oxy Master theo nhiễu ......................................... 95 Hình 3.15. Sơ đồ khối điều khiển áp suất hơi quá nhiệt NMNĐ Duyên Hải 1 ................................ 96 Hình 3.16. Đáp ứng bước của hệ thống cấp nhiên liệu theo lượng đặt ............................................ 97 Hình 3.17. Đáp ứng bước của hệ thống ĐK phụ tải: a) Theo lượng đặt, b) Theo nhiễu .................. 98 Hình 3.18. Nguyên tắc phần tử PID tại NMNĐ Duyên Hải 1.......................................................... 99 Hình 3.19. Cấu trúc bộ điều khiển trong logic NMNĐ Duyên Hải 1............................................. 100 Hình 4.1. Cấu trúc mạng nơron nhận dạng hệ thống điều khiển nhà máy ..................................... 105 x
Hình 4.2. Ứng dụng mạng nơron phục vụ đánh giá để chỉnh định ................................................ 105 Hình 4.3. Cấu trúc mô hình sử dụng các mạng nơron .................................................................... 107 Hình 4.4. Cấu trúc mạng một nơron MISO .................................................................................... 107 Hình 4.5. Cấu trúc mạng nơron trong Matlab ................................................................................ 108 Hình 4.6. Huấn luyện mạng nơron ................................................................................................. 109 Hình 4.7. Giá trị đầu vào huấn luyện mạng nơron ......................................................................... 109 Hình 4.8. Mô hình nhận dạng trên môi trường Matlab/simulink ................................................... 110 Hình 4.9. Đáp ứng đầu ra mạng nơron sau khi huấn luyện ............................................................ 111 Hình 4.10. Sai lệch đáp ứng của đầu ra mạng nơron so với giá trị luyện ...................................... 111 Hình 4.11. Sơ đồ điều khiển bù nhiệt trị than ................................................................................ 113 Hình 4.12. Sơ đồ cấu trúc mạch bù BTU than ............................................................................... 113 Hình 4.13. Sơ đồ cấu trúc bổ sung trí tuệ nhân tạo ........................................................................ 114 Hình 4.14. Nguyên lý hiệu chỉnh lượng đặt ................................................................................... 115 Hình 4.15. Sơ đồ cấu trúc thiết kế mạng nơron.............................................................................. 115 Hình 4.16. Chuỗi số liệu giá trị hiệu chỉnh lượng đặt hệ thống cấp nhiên liệu .............................. 116 Hình 4.17. Chuỗi số liệu áp suất hơi quá nhiệt phục vụ thiết kế mạng nơron................................ 116 Hình 4.18. Chuỗi số liệu lưu lượng nhiên liệu phục vụ thiết kế mạng nơron ................................ 117 Hình 4.19. Chuỗi số liệu công suất phát điện phục vụ thiết kế mạng nơron .................................. 117 Hình 4.20. Cấu trúc và quá trình luyện mạng nơron ...................................................................... 117 Hình 4.21. Mô hình mạng nơron nhận dạng hệ số hiệu chỉnh mạch Fuel Master .......................... 118 Hình 4.22. Kết quả tính toán của mạng nơron với thời gian luyện thực ........................................ 118 Hình 4.23. Sai lệnh tính toán của mạng nơron với thời gian luyện thực ........................................ 119 Hình 4.24. Kết quả đầu ra mạng nơron khi dự báo lượng đặt sau khoảng thời gian tpr.................. 120 Hình 4.25. Quá trình đáp ứng điều khiển của mô hình điều khiển theo ba chế độ ........................ 121 Hình 4.26. Sai lệch công suất theo ba chế độ vận hành ................................................................. 121 Hình 4.27. Mô hình điều khiển kết hợp mạng nơron hiệu chỉnh lượng đặt ................................... 123 Hình 4.28. Đáp ứng công suất phát điện của tổ máy chế độ phối hợp ........................................... 124 Hình 4.29. Sai lệch công suất chế độ phối hợp kết hợp mạng nơron ............................................. 124 Hình 4.30. Đáp ứng lưu lượng nhiên liệu cấp vào lò hơi ............................................................... 125 Hình 4.31. Sai lệch công suất khi kết hợp mạng nơron chế độ theo lò hơi, tuabin ........................ 125 xi
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn luận án Hiện nay, các nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) đốt than luôn đóng vai trò quan trọng trong hệ thống nguồn điện quốc gia, dự kiến trong tương lai tiếp tục là nguồn cung cấp năng lượng quan trọng cho nhiệm vụ phát triển kinh tế và nhu cầu sinh hoạt [1,2,3]. Tính đến hết năm 2020, tổng công suất đặt của các NMNĐ đốt than là 20.867 MW, chiếm khoảng 30% toàn hệ thống, sản lượng điện năng đạt năm 2020 đạt 123.117 GWh chiếm tỷ lệ 50% cơ cấu điện toàn hệ thống [5]. Vì vậy, vận hành ổn định các nhà máy nhiệt điện đốt than ảnh hưởng tới an ninh năng lượng của nhà nước. Hệ thống điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than là một trong hệ điều khiển phức tạp nhất của hệ điều khiển tự động hóa quá trình công nghệ [2,6]. Hệ điều khiển nhà máy có nhiệm vụ trước tiên là đảm bảo vận hành ổn định, ít sự cố để đảm bảo sản lượng điện là lớn nhất, tiếp đến yếu tố chi phí vận hành nhà máy là thấp nhất. Chính vì vậy, hệ điều khiển nhà máy đóng vai trò quan trọng khi nhà máy vận hành. Tuy nhiên, động lực học các quá trình của nhà máy là phi tuyến, đa thông số, luôn có sự tác động của các nhiễu quá trình do thông số đầu vào thay đổi, cũng như thiết bị cơ nhiệt, thiết bị chấp hành bị suy thoái sau thời gian vận hành. Do đó, sau một thời gian vận hành, các mạch vòng điều khiển không hoạt động tự động được mà phần lớn phải chuyển sang chế độ bằng tay, điều này dẫn đến nguy cơ mất ổn định, sự cố và chi phí vận hành tăng cao. Trên quan điểm điều khiển, hiệu quả quá trình vận hành lò hơi nhà máy nhiệt điện phụ thuộc vào hai nhóm yếu tố có thể phân như sau: Yếu tố bất định và yếu tố gây tổn thất nhiên liệu [6-10]. Các yếu tố bất định bao gồm: sự suy giảm độ chính xác của các thiết bị đo lường, sự thay đổi khả năng đáp ứng của các cơ cấu chấp hành và hiệu quả trao đổi nhiệt của thiết bị [29]. Để hạn chế các yếu tố này, chủ đầu tư cần tiến hành kiểm tra, bảo dưỡng, sửa chữa định kỳ theo quy định, nhằm nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Các yếu tố gây tổn thất nhiên liệu gồm có: sự thay đổi liên tục về phẩm chất của nhiên liệu tạo ra nhiễu quá trình, sự không ổn định của các hệ thống điều khiển chính và chất lượng điều khiển mỗi mạch chưa tốt. Để khắc phục những nguyên nhân do hệ thống điều khiển, cần thiết tiến hành công tác chỉnh định hệ thống điều khiển. Tổng công ty Phát điện 1, một trong những đơn vị tham gia Thị trường Bán buôn điện cạnh tranh Việt Nam, sở hữu công suất đặt 7.118,1MW, chiếm 14,77%. Trong đó có Trung tâm điện lực Duyên Hải là một trong hai trung tâm nhiệt điện lớn nhất tại Việt Nam, là nguồn cung cấp điện chủ yếu cho các tỉnh miền Đông Nam Bộ và Tây Nam Bộ. Sau một thời gian vận hành, mặc dù đang ở giai đoạn đầu của vòng đời dự án, trung tâm vẫn gặp phải một số vấn đề, điển hình trong năm 2018 như [11]: - Các tổ máy vận hành với độ tin cậy chưa cao như thiết kế, vẫn xảy ra sự cố liên quan tới các thiết bị quan trọng như: lò hơi, máy nghiền, quạt khói, bơm cấp, máy phát, van bypass...; - Suất tiêu hao nhiên liệu/suất hao nhiệt cao hơn thiết kế, dao động công suất phát điện và lưu lượng nhiên liệu vào lò hơi còn lớn; 1
- Xảy ra hiện tượng đóng xỉ, với 2 lần đóng xỉ bịt kín phễu thuyền xỉ, phải dừng dài ngày để khắc phục; - Hệ thống điều khiển DCS hoạt động với nhiều khiếm khuyết, các bộ tham số PID chưa được chỉnh định hợp lý, dẫn tới chưa thực hiện được một số chức năng tự động điều chỉnh. Bên cạnh các nguyên nhân do phẩm chất nhiên liệu không đạt được như tiêu chuẩn thiết kế, việc chưa hiệu chỉnh phù hợp các hệ thống điều khiển phù hợp theo đặc tính nhiên liệu than và sự thay đổi đặc tính truyền nhiệt theo thời gian là nguyên nhân chủ yếu. Ngoài ra, các hàm quy đổi mối quan hệ giữa các đại lượng điều khiển phản ánh chưa chính xác mối tương quan sự thay đổi theo thời gian, dẫn tới bộ tham số điều khiển PID của mỗi hệ thống hoạt động chưa thật sự đạt hiệu quả. Vấn đề đảm bảo nguồn cung nhiên liệu than ổn định và chất lượng luôn được các chủ đầu tư đặc biệt quan tâm. Hiện tại và trong tương lai, việc phải sử dụng nguồn nhiên liệu than từ nhập khẩu là điều tất yếu đối với các nhà máy điện. Do vậy, việc tổ chức nghiên cứu những tác động khi sử dụng đốt trộn nhiều loại than tới hiệu quả vận hành của các hệ thống điều khiển nhà máy là rất cần thiết. Trong đó, các hệ thống điều khiển cấp phụ tải nhiệt có vai trò quan trọng. Một trong những giải pháp được xem xét là ứng dụng, lắp đặt thêm hệ trí tuệ nhân tạo, giao tiếp với hệ thống điều khiển DCS, giúp nhận dạng và tối ưu hóa quá trình cấp nhiên liệu vào buồng lửa. Do vậy, đặt ra yêu cầu cần có nghiên cứu về các mô hình điều khiển, cũng như phương pháp luận ứng dụng giải pháp chỉnh định có kết hợp công nghệ trí tuệ nhân tạo. Trong những bối cảnh nêu trên, cần thiết triển khai đề tài nghiên cứu để củng cố phương án nhận dạng, hiệu chỉnh giúp duy trì sự ổn định của chất lượng điều khiển trong nhà máy nhiệt điện. Do vậy, nghiên cứu sinh đã lựa chọn đề tài nghiên cứu “Phương pháp nhận dạng và hiệu chỉnh các mạch vòng điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun”. 2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu của luận án Nghiên cứu phương pháp nhận dạng và chỉnh định hệ điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than phun phục vụ vận hành ổn định và hiệu quả. Đối tượng nghiên cứu Hệ điều khiển NMNĐ sử dụng công nghệ đốt than phun áp suất cận tới hạn. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu phân tích, nhận dạng và chỉnh định các mạch vòng điều khiển chính của nhà máy nhiệt điện. 3. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu hệ điều khiển của NMNĐ Duyên Hải 1, kết hợp nghiên cứu lý thuyết (hệ điều khiển và mạng nơron) với số liệu thí nghiệm và vận hành của nhà máy để phân tích, nhận dạng, đánh giá chỉnh định các mạch vòng điều khiển. 2
Nghiên cứu phương pháp luận triển khai nhận dạng và chỉnh định trong thực tế để chuẩn bị các công cụ và phương pháp luận cần thiết. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến các mạch vòng điều khiển chính trong NMNĐ đốt than phun phục vụ định hướng cho nhận dạng và chỉnh định hệ thống điều khiển trong nhà máy điện. Đề xuất phương pháp nghiên cứu ứng dụng mạng nơron để nhận dạng, chỉnh định hệ điều khiển nhà máy. Phương pháp này tạo ra khả năng ứng dụng vào nhà máy nhiệt điện để nâng cao độ ổn định và hiệu quả vận hành. Nghiên cứu sử dụng phần tử dự báo kết hợp với bộ điều khiển hiện có trong NMNĐ đốt than phun. Xây dựng thành công công cụ phục vụ chỉnh định tham số bộ điều khiển trong nhà máy nhiệt điện. Nghiên cứu góp phần giúp nâng cao hiệu quả vận hành các NMNĐ, giúp đảm bảo nguồn điện phục vụ phát triển đất nước và an sinh xã hội. 5. Những điểm đóng góp mới của luận án - Phân tích đặc điểm công nghệ, cấu trúc điều khiển, các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng làm việc, trình tự thực hiện chỉnh định các mạch vòng điều khiển cơ bản trong NMNĐ đốt than phun công nghệ cận tới hạn, phục vụ định hướng cho nhận dạng và chỉnh định hệ thống điều khiển trong NMNĐ. - Sử dụng hiệu quả phần tử dự báo kết hợp bộ điều khiển để chỉnh định các mạch vòng điều khiển trong NMNĐ, đề xuất thời gian dự báo xác định không vượt quá 0,461 lần thời gian trễ vận tải của đối tượng. Đề xuất bộ tham số điều khiển mới cho mạch vòng điều khiển vòng điều khiển gió chính và cấp nhiên liệu tại NMNĐ Duyên Hải 1. - Ứng dụng thành công mạng nơron trong nhận dạng hệ điều khiển nhà máy cụ thể. Mạng nơron được kiểm chứng chức năng nhận dạng đặc tính vận hành của nhà máy, đánh giá các cấu trúc điều khiển và hiệu chỉnh quá trình cấp nhiên liệu tại NMNĐ Duyên Hải 1. 6. Cấu trúc luận án Luận án được trình bày trong 4 chương: Chương 1 trình bày tổng quan về NMNĐ đốt than phun, nguyên nhân dẫn tới sự cần thiết phải nghiên cứu hiệu chỉnh trong NMNĐ, khái quát các công trình nghiên cứu, từ đó định hướng nghiên cứu cho luận án. Chương 2 phân tích yếu tố ảnh hưởng tới các mạch vòng điều khiển trong NMNĐ đốt than phun, ứng dụng mô hình điều khiển phục vụ nghiên cứu các chế độ vận hành và đánh giá đáp ứng của hệ thống trong điều kiện vận hành thực tế. Chương 3 trình bày kết quả phát triển phương pháp phần tử dự báo trong bộ điều khiển để chỉnh định các mạch vòng điều khiển. Trình bày phần mềm phục vụ chỉnh định tham số bộ điều khiển trong NMNĐ. Chương 4 trình bày phương pháp ứng dụng mạng nơron để nhận dạng hệ điều khiển nhà máy từ số liệu vận hành. 3
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ NHẬN DẠNG VÀ CHỈNH ĐỊNH CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN Chương một của luận án trình bày các nội dung sau: - Sự cần thiết nghiên cứu các hệ thống điều khiển trong nhà máy nhiệt điện nói chung và điển hình tại NMNĐ Duyên Hải 1; - Khái quát chung về phương pháp nhận dạng và chỉnh định các mạch vòng điều khiển trong công nghiệp; - Tổng kết các công trình nghiên cứu về nhận dạng và chỉnh định các mạch vòng điều khiển trong công nghiệp; - Định hướng nghiên cứu. 1.1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CƠ BẢN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN PHUN [1][2][3][8][9][21][22][30] Nhà máy nhiệt điện đốt than phun là một tổ hợp dây chuyền công nghệ giúp biến đổi nhiên liệu than thành điện năng thông qua quá trình đốt cháy. Tổ hợp nhà máy gồm các phần chính: khối lò hơi giúp đốt cháy nhiên liệu sản xuất hơi nước; gian tuabin và máy phát có nhiệm vụ chuyển năng lượng hơi sang cơ năng quay tuabin từ đó thành điện năng; khối hệ thống phụ trợ như hệ thống cung cấp nhiên liệu, nước tuần hoàn, hệ thống khí nén điều khiển, khối xử lý nước khử khoáng… (Hình 1.1). Hình 1.1. Cấu hình cơ bản tổ máy nhiệt điện đốt than I - khối lò hơi; II - gian tuabin và máy phát điện; III - trạm bơm, kênh tuần hoàn; 1 - kho nhiên liệu; 2 - tháp chuyển tiếp than; 3 - bộ hâm nước; 4 - bộ quá nhiệt; 5 - lò hơi; 6 - buồng lửa; 7 - vòi phun nhiên liệu; 8 - đường ống dẫn hơi mới; 9 - máy nghiền than tinh; 10 - thùng than nguyên; 11 - thùng than thô; 12 - trung tâm điều khiển; 13 - bình khử khí; 14 - tuabin hơi nước; 15 - máy phát điện; 16 - máy biến áp tăng áp; 17 - bình ngưng; 18 - hệ thống cấp nước tuần hoàn; 19 - bơm ngưng; 20 - bình gia nhiệt hạ áp; 21 - bơm cấp; 22 - bình gia nhiệt cao áp; 23 - quạt gió; 24 - phễu thải tro bay; 25 - đường thải tro bay. 4
Các hệ thống thiết bị điển hình của nhà máy nhiệt điện đốt than minh họa trong Hình 1.1 gồm các khối lò hơi - thiết bị phụ, tuabin - thiết bị phụ và hệ thống cung cấp nước tuần hoàn cùng khối phụ trợ. Xét theo mặt cắt dọc từ đầu ra phát điện, một tổ máy phát điện được bố trí cơ bản theo thứ tự sau: Máy biến áp, máy phát điện, tuabin hơi nước, hệ thống nghiền và cung cấp than, lò hơi, hệ thống làm sạch khí thải và cuối cùng là ống khói. Về nguyên lý, than trữ tại kho được vận chuyển bởi hệ thống băng tải qua các tháp chuyển tiếp tới khu vực nghiền. Than sau khi được nghiền thành bột mịn sẽ được thổi vào buồng lửa cùng với lượng không khí đủ cho quá trình cháy. Sau khi cháy xong, sản phẩm cháy sẽ lần lượt đi qua hệ thống trao đổi nhiệt, bao hơi, bộ hâm nước nhờ sự giúp đỡ của quạt khói nhằm truyền nhiệt vào trong nước sinh ra hơi. Trước khi ra ống khói, bụi và tro trong sản phẩm cháy được thu hồi nhằm xử lý riêng theo tiêu chuẩn môi trường. Nước khử khoáng được đưa vào bình khử khí để loại bỏ các khi không ngưng, tiếp theo được bơm cấp qua các bình gia nhiệt cao áp vào bộ hâm nước, sau đó đi qua bên trong các bộ trao đổi nhiệt để nhận nhiệt từ quá trình cháy và tạo thành hơi quá nhiệt. Hơi quá nhiệt được dẫn tới tuabin hơi nước nhiều tầng cánh để sinh ra cơ năng nối với máy phát điện sản xuất ra điện. Hơi nước sau tầng cánh cuối tuabin sẽ vào bình ngưng, được ngưng tụ thành dạng lỏng nhờ nước tuần hoàn làm mát. Sau đó, nước ngưng tụ được bơm ngưng vận chuyển qua các bộ phận gia nhiệt hạ áp, bình khử khí. Nước từ bình khử khí được bơm cấp tăng áp suất và bơm qua hệ thống bình gia nhiệt cao áp trước khi vào lại bộ hâm nước trong lò hơi [30]. 1.1.1. Lò hơi nhà máy nhiệt điện đốt than phun [1][8][9][12][19][21] Lò hơi là tập hợp các thiết bị nhiệt, có cấu trúc rất phức tạp và vô cùng quan trọng trong NMNĐ. Hiện nay, công nghệ than phun được sử dụng rộng rãi trong lò hơi của các dự án NMNĐ đốt than mới và chiếm tỷ trọng chủ yếu trong cơ cấu nguồn nhiệt điện than tại Việt Nam (xét theo công suất đặt). Trong lò hơi công nghệ này, than bột mịn được cấp vào buồng đốt bằng không khí nóng qua các vòi đốt bố trí trên vách buồng lửa. Trong buồng đốt than bột được gia nhiệt nhanh chóng làm chất bốc thoát ra biến các hạt than thành các hạt xốp gồm: tro xỉ và cốc (các-bon). Chất bốc dễ cháy nên phản ứng trước làm tăng tốc độ gia nhiệt hạt cốc đến nhiệt độ bắt cháy. Để cháy hiệu quả đòi hỏi phải đảm bảo tỉ lệ hợp lý các loại gió, than bột và không khí được hòa trộn kỹ, nhiệt độ buồng đốt cao và than bột được lưu lại trong buồng đốt với thời gian đủ lớn để hoàn tất phản ứng. Nhiệt độ đốt điển hình của lò đốt than phun là 1300°C đến 1500°C. Đặc điểm cấu tạo điển hình của công nghệ đốt than phun hiện nay là hệ thống nghiền than trực tiếp và vòi đốt cấp than thẳng vào trong lò hơi trực tiếp. Thông thường có hai cách bố trí vòi phun trên tường buồng đốt: phun than đối xứng trên tường buồng đốt, phù hợp với than nhiều chất bốc; phun than hướng xuống dưới tạo ngọn lửa W và vùng trung tâm buồng lửa có nhiệt độ cao, ổn định, loại bố trí này phù hợp với loại than antraxít khó cháy. Hình ảnh cấu tạo lò hơi đốt than phun trực tiếp với bố trí vòi phun tạo ngọn lửa dáng điệu chữ W được minh họa trên Hình 1.2. 5
Lò hơi than phun được sản xuất với rất nhiều gam 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 - 600 MW thông số cận tới hạn (16,7MPa, 538oC/538oC). Tuy nhiên, xu hướng trên 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/600oC) [8,9,11,21]. Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý lò hơi đốt than phun công nghệ cận tới hạn Sơ đồ chi tiết đường đi của nước, hơi và vị trí trao đổi nhiệt trong lò hơi cận tới hạn được minh họa trong Hình 1.3 [12]. Trong đó, t là nhiệt độ của các dạng vật chất như: hơi, nước, gió, không khí tại mỗi vị trí cụ thể. 4 5 tg.o tq.n t t.n 8 10 3 t t.n 2 9 tn.c 11 tkh.kh 7 6 tg.o 1 tgio1,2 Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý thể hiện đường đi của hơi và nước 1 - Bộ hâm nước; 2 - Bao hơi; 3 - Tường nước buồng lửa; 4 - Quá nhiệt trần; 5 - Tận dụng nhiệt HRA; 6 - Quá nhiệt cấp 1; 7 - Quá nhiệt mành; 8 - Quá nhiệt cấp 2; 9 - Tái nhiệt cấp 1; 10 - Tái nhiệt cấp 2; 11 - Bộ sấy không khí Hệ thống lò hơi cận tới hạn hiện đại thường gồm quá trình tái nhiệt một phần hơi đã qua tuabin cao áp, đồng thời có từ 8-9 cửa trích hơi từ tuabin nhằm nâng cao hiệu suất chu trình, giảm phần năng lượng tổn thất qua quá trình ngưng. Trong phạm vi của luận án tập trung hướng tới đối tượng lò hơi công nghệ than phun, cận tới hạn. 6
1.1.2. Tuabin nhà máy nhiệt điện [3][8][9][22] Tuabin hơi nước là một thiết bị vật lý dùng để chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng, thường gồm 3 khối chính: cao áp, trung áp và hạ áp (Hình 1.4). Các nhà máy điện sử dụng công nghệ tuabin có cửa trích hơi và có vòng tuần hoàn tái nhiệt. Tuabin nhà máy điện hiện đại thường gồm bốn phần chính: phần cao áp, trung áp và hai phần hạ áp. Dòng hơi sau khi qua phần cao áp sẽ được dẫn hoàn lại lò hơi để nhận nhiệt lần nữa lên trạng thái hơi có nhiệt độ cao tương tự hơi mới trước khi đi vào tuabin trung áp. Hình 1.4. Minh họa cấu tạo của tuabin hơi trong nhà máy nhiệt điện 1- Khối tuabin cao áp; 2 - Khối tuabin trung áp; 3 - Khối tuabin hạ áp. Cấu tạo trong của tuabin hơi nước gồm hai phần: phần stator gồm các tầng cánh tĩnh giúp chuyển hướng, tạo phương dòng hơi nước và phần rôto gồm các tầng cánh động giúp nhận năng lượng từ hơi nước sinh công cho tuabin. Vận tốc quay của tuabin phụ thuộc vào vận tốc tuyệt đối và năng lượng dòng hơi trước khi vào các tầng cánh. Càng về các tầng cánh cuối, năng lượng hơi càng giảm. Hơi sau khi sinh công lần cuối sẽ được dẫn đến bình ngưng để hóa lỏng. 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 từ bình ngưng sẽ được hệ thống bơm tới các bình gia nhiệt hạ áp LP1, LP2. LP3. Tại đây nước sẽ được làm nóng bởi hơi trích ra từ tuabin hạ áp. Sau khi ra khỏi các bình gia nhiệt hạ áp, nước được đưa tới bình khử khí và các bình gia nhiệt cao áp HP5, HP6, HP7, HP8 để tiếp tục được nâng nhiệt và trước khi trở lại bao hơi thành chu trình khép kín, nước được đưa qua bộ hâm để làm nóng lần cuối bằng khói lò. 1.2. NGUYÊN NHÂN DẪN ĐẾN CẦN PHẢI HIỆU CHỈNH VÀ CHỈNH ĐỊNH CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN PHUN CÔNG NGHỆ CẬN TỚI HẠN [4][8][9][11][12][13][23][26][27] 1.2.1. Đặc trưng quá trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện [4][8][9][11][23] Phần lớn các hệ thống có trong tự nhiên đều mang tính phi tuyến, trong đó, đặc trưng chung của các quá trình trong NMNĐ có tính phi tuyến cao. Tính chất này cùng 7