Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống điều khiển lò hơi nhà máy nhiệt điện

Chia sẻ: Sơ Dương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:85

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống điều khiển lò hơi nhà máy nhiệt điện" gồm 4 chương trình bày tổng quan về nhà máy nhiệt điện, hệ thống điều khiền lò hơi, mô phỏng lò hơi, ổn định áp suất lò hơi bằng luật điều khiển PID kinh điển và PID mờ. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu và mô phỏng hệ thống điều khiển lò hơi nhà máy nhiệt điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NGUYỄN HÙNG KIÊN Hà Nội - 2009
1 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN .................................... 4 1.1 Tổng quan nhà máy nhiệt điện.................................................................................... 4 1.1.1 Giới thiệu chung.................................................................................................................. 4 1.1.2 Nguyên lý sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện................................................................ 4 1.1.3 Chu trình nhiệt của nhà máy nhiệt điện ngưng hơi ............................................................. 6 1.2 Lò hơi trong nhà máy nhiệt điện................................................................................. 7 1.2.1. Vai trò của lò hơi trong nhà máy nhiệt điện....................................................................... 7 1.2.2 Phân loại lò hơi nhà máy điện............................................................................................. 8 1.2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò hơi ......................................................................... 9 1.2.4 Quá trình biến đổi năng lượng trong lò hơi ...................................................................... 13 1.2.5 Các đặc tính kỹ thuật của lò hơi........................................................................................ 13 CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÒ HƠI................................................ 16 2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển lò hơi ...................................................................... 16 2.1.1. Đối tượng điều khiển lò hơi ............................................................................................. 16 2.1.2 Hệ cân bằng trong lò hơi ................................................................................................... 17 2.2 Các hệ điều khiển cơ bản trong lò hơi ...................................................................... 18 2.3 Hệ điều khiển cấp nhiên liệu...................................................................................... 19 2.3.1 Các yêu cầu về nhiên liệu ................................................................................................. 19 2.3.2 Hệ điều khiển cấp nhiên liệu............................................................................................ 20 2.3 Hệ thống điều khiển quá trình cháy.......................................................................... 21 2.3.1 Điều chỉnh tỷ lệ nhiên liệu - không khí............................................................................. 22 2.3.2 Điều chỉnh áp suất chân không buồng đốt ........................................................................ 23 2.3 Hệ thống điều khiển mức nước bao hơi.................................................................... 26 2.3.1 Cấu trúc hệ thống cấp nước............................................................................................... 26 2.3.2 Quá trình hâm nước và khử khí ........................................................................................ 27 2.3.3 Quá trình lưu thông nước trong bao hơi............................................................................ 28 2.3.4 Hệ thống điều khiển nước cấp .......................................................................................... 30 2.4 Hệ thống điều khiển hơi ............................................................................................. 31 2.4.1 Các thông số của hệ điều khiển hơi .................................................................................. 31 2.4.2 Điều khiển áp suất và lưu lượng hơi ................................................................................. 33 2.4.3 Hệ điều khiển nhiệt độ hơi ................................................................................................ 35 CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG LÒ HƠI ........................................................................ 39 3.1 Các phương trình cân bằng của lò hơi ..................................................................... 39 3.1.1 Phương trình cân bằng khối lượng.................................................................................... 39 3.1.2 Phương trình cân bằng thể tích ......................................................................................... 40 3.1.3 Phương trình cân bằng năng lượng ................................................................................... 40 3.2 Mô hình hóa lò hơi cho bài toán điều chỉnh ổn định áp suất.................................. 41 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên
2 3.2.1 Mô hình hóa bộ phận đốt nhiên liệu ................................................................................. 41 3.2.2 Mô hình hóa bao hơi ......................................................................................................... 43 3.2.3. Mô hình hóa bộ quá nhiệt và van cấp hơi ........................................................................ 47 3.2.4. Mô hình cả hệ thống......................................................................................................... 48 3.3 Mô phỏng và kiểm chứng tính ổn định mô hình lò hơi........................................... 49 3.3.1 Sơ đồ mô phỏng ................................................................................................................ 49 CHƯƠNG 4. ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT LÒ HƠI BẰNG LUẬT ĐIỀU........................ 57 KHIỂN PID KINH ĐIỂN VÀ PID MỜ ................................................................... 57 1.1 Luật điều khiển PID ................................................................................................... 57 1.2. Luật điều khiển PID mờ............................................................................................ 62 1.2.1 Khái niệm cơ bản về logic mờ .......................................................................................... 62 1.2.2 Điều khiển mờ................................................................................................................... 64 1.2.3.Thiết kế bộ điều khiển mờ ................................................................................................ 71 1.2.4 Bộ điều khiển PID mờ....................................................................................................... 73 KẾT LUẬN ................................................................................................................. 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 84 TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................. Error! Bookmark not defined. Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên
3 LỜI MỞ ĐẦU Đất nước đang bước vào thời kỳ phát triển và hội nhập sâu sắc với nền kinh tế thế giới, cùng với đó là nhu cầu về điện ngày càng tăng. Vấn đề thiếu điện đã và đang gây khó khăn nhiều mặt cho các nhà máy, công ty và đến từng cá nhân. Giờ đây không chỉ có EVN mới sản xuất điện mà các đơn vị như Vinacomin, Petro Việt Nam và nhiều đơn vị cá nhân khác cũng tham gia xây dựng các dự án điện, tận dụng các nguồn tài nguyên sẵn có của đất nước. Với trữ lượng lớn và thuận lợi trong việc khai thác, than đá được xem là nguồn tài nguyên tiềm năng nhất trong việc giải quyết vấn đề thiếu điện của đất nước. Nhà máy nhiệt điện là một hệ thống điều khiển rất phức tạp, nhiều thiết bị quá trình với mối tương tác xen kênh. Hơn nữa các nhà máy nhiệt điện ở nước ta là do chuyên gia nước ngoài xây dựng, để vận hành được vẫn cần tới các chuyên gia chỉnh định các tham số. Vấn đề đặt ra là sau một thời gian vận hành thì hệ thống cần phải chỉnh định lại tham số vì hoạt động chưa tối ưu. Vậy để những người muốn tìm hiểu về nhiệt điện nắm bắt một cách nhanh chóng nguyên lý và có thể hiệu chỉnh tuỳ ý trước khi vận hành thật thì hệ mô phỏng được xem như là một giải pháp tối ưu. Với mục tiêu đó tôi đã chọn đề tài luận văn tốt nghiệp là “ Nghiên cứu và mô phỏng hệ điều khiển lò hơi nhà máy nhiệt điện”, để tài của tôi ngoài phần mở đầu và kết luận gồm các phần chính sau: Chương 1 : Tổng quan về nhà máy nhiệt điện. Chương 2 : Hệ thống điều khiền lò hơi. Chương 3 : Mô phỏng lò hơi. Chương 4 : Ổn định áp suất lò hơi bằng luật điều khiển PID kinh điển và PID mờ. Để thực hiện luận văn tôi đã lựa chọn phần mềm Matlab để thiết kế cấu trúc, mô hình hoá đối tượng và mô phỏng. Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên
4 CHƯƠNG 1 . TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.1 Tổng quan nhà máy nhiệt điện 1.1.1 Giới thiệu chung Để đi sâu vào nghiên cứu hệ điều khiển nhà máy nhiệt điện thì ta phải hiểu thế nào là nhiệt điện. Nhà máy nhiệt điện là nhà máy sản xuất ra điện năng bằng cách chuyển hoá năng lượng từ nhiệt năng thành cơ năng rồi sang điện năng. Để sản xuất ra điện năng thì có rất nhiều cách như thuỷ năng (nhà máy thuỷ điện), năng lượng nguyên tử (nhà máy điện nguyên tử), năng lượng gió (nhà máy điện sức gió), năng lượng mặt trời...Tuy nhiên sản xuất điện năng theo phương pháp nhiệt vẫn là phương pháp phổ thông nhất và chiếm tỷ lệ cao nhất so với sản xuất điện bằng các phương pháp khác (Nhà máy nhiệt điện sản xuất ra khoảng 69% điện năng của thế giới). Nước ta vẫn có nguồn nhiên liệu dồi dào là than và hiện nay công nghiệp dầu mỏ bắt đầu hình thành và phát triển, sản lượng đạt hàng triệu tấn/năm và có rất nhiều triển vọng. Do vậy nhà máy nhiệt điện đốt than và đốt dầu cũng rất phát triển. Hiện nay nhà máy nhiệt điện lớn nhất nước ta là Phả Lại 1&2 với công suất 1040 MW (sản lượng điện hàng năm 3,68 tỷ kWh; lượng than tiêu thụ 1,6 triệu tấn/năm) và nhà máy nhiệt điện đốt dầu khí lớn nhất là Phú Mỹ 1&2 với công suất 2451 MW. Ngoài ra còn một số nhà máy nhiệt điện nhỏ khác như Uông bí, Na dương, Vũng Áng… 1.1.2 Nguyên lý sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện Nguyên lý sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện là chuyển hoá nhiệt năng từ đốt cháy các loại nhiên liệu trong lò hơi thành cơ năng làm quay tuabin, tuabin quay tức chạy máy phát điện vậy đã chuyển cơ năng thành điện năng. Nhiệt năng được dẫn đến tuabin qua môi trường dẫn nhiệt là hơi nước. Hơi nước chỉ là môi trường truyền nhiệt năng trước khi vào tuabin để sinh công. Nhiệt năng cung cấp càng nhiều thì năng lượng điện phát ra càng lớn và ngược lại. Điện áp phát ra ở đầu cực máy phát điện sẽ được đưa qua hệ thống trạm biến áp nâng lên cấp điện áp thích hợp trước khi hoà vào lưới điện quốc gia. Ở đây chu trình nhiệt được chia làm 5 giai đoạn chính đó là quá trình đun nóng nước cấp, sinh hơi quá nhiệt, sinh công và ngưng tụ. Ban đầu nước trước khi cấp lên bao hơi phải được gia nhiệt (A-B) và đi qua bộ hâm (B-C), từ bao hơi nước chuyển từ dạng lỏng sang hơi (C-D), hơi được đưa qua bộ quá nhiệt (D-E) trước khi đi vào tuabin, ở tuabin quá trình sinh công xảy Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên
5 ra (E-F). Hơi sau khi sinh công được ngưng tụ tại bình ngưng (F-A) sau đó lại được bổ xung vào nước cấp. E Nhiệt Quá nhiệt độ Bão hoà C D Hâm Tuabin B Gia nhiệt A F Entropy Hình 1.0: Chu trình Ranhkine trong nhà máy nhiệt diện. Hình vẽ cho thấy năng lượng giải phóng ở tuabin đạt tối đa nếu điểm E là cao nhất và điểm F là thấp nhất có thể. Đối với nhà máy nhiệt điện, thiết bị sinh hơi là lò hơi, trong đó bao hơi là thiết bị chứa nước và hơi. Lò hơi sinh nhiệt làm nước trong bao hơi biến thành hơi theo ống dẫn được đưa tới tuabin làm quay tuabin phát điện (chuyển cơ năng thành điện năng) Nước ngưng Cơ năng Bao hơi Hơi Tuabin Máy phát Nhiệt năng Hoá năng Lò hơi Nhiên liệu Hình 1.1: Quá trình chuyển hóa năng lượng nhà máy nhiệt điện Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên
6 1.1.3 Chu trình nhiệt của nhà máy nhiệt điện ngưng hơi Nước cấp cho bao hơi Hơi đã được 6 (Bao hơi) tái hâm nóng Khói ra ngoài Không khí 10(Quạt gió) Máy nghiền 8 (Bộ hâm nước) 12 4 (Lò hơi) 1 2 9 (Hâm ko khí) 11 (Quạt khói) 7 (Bộ quá nhiệt) 3 5(Buồng đốt) Phun 18 (Tua bin) 13(Bộ hâm nước) 23 (Máy phát) ~ 14 (Bơm) 15(Hâm) Tầng tái nhiệt 16 (Khử khí) 17(Bơm) 19 (Bình ngưng) 20 21(Bơm) 22 nước đã xử lý Bể chứa nước nước lưu thông Hình 1.2: Chu trình nhiệt của nhà máy nhiệt điện Than từ kho nhiên liệu 1 được đưa đến hệ thống nghiền nát (máy nghiền) 2. Tại đây than được nghiền nát thành than cám. Than sau khi trở thành than cám sẽ được hút ra khỏi hệ thống nghiền nhờ quạt hút để đưa đến hệ thống vòi phun ở buồng đốt 5 của lò - hệ thống nồi hơi 4. Tóm lại, nhiên liệu (dầu, than, khí) từ kho nhiên liệu được đưa vào lò qua hệ thống cấp nhiên liệu. Trên đường từ hệ thống nghiền nát đến hệ thống vòi phun than cám, người ta bố trí thêm bộ phận phân ly (dạng xiclon) để sao cho những hạt than còn kích thước lớn được giữ lại và đưa trở về máy nghiền (bộ phận này không vẽ trong hình). Nhiên liệu được đưa đến buồng đốt (thông qua các vòi phun) có một áp suất nhất định nhờ một quạt không khí 10 rất mạnh (quạt gió). Không khí do quạt gió 10 cung cấp sẽ giúp cho than cám được phun mạnh vào trong buồng đốt.Trước đó không khí được hâm nóng Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên
7 nhờ bộ phận hâm nóng không khí 9, bộ phận này đặt ngay trên đường đi của khói nóng thoát ra ngoài nhờ quạt 11 (quạt khói). Tất nhiên khói trước khi ra ngoài phải qua bộ phận lọc bụi (lọc bụi tĩnh điện). Không khí được hâm nóng sẽ tránh cho buồng đốt bị lạnh, tiết kiệm được nhiên liệu, giảm tiêu thụ nhiên liệu cho buồng đốt và đồng thời nhiên liệu được sấy khô trước khi đưa vào buồng đốt Khói nóng cũng được dùng để hâm nước ở bộ phận hâm nước 8 trước khi đưa vào bao hơi 6. Nước trong bao hơi được đun nóng sẽ chuyển thành hơi nước và được đưa đến bộ phận quá nhiệt 7. Tại đây hơi nước có áp suất cao (P = 130 ÷ 240 kG/cm2), nhiệt độ t= 0 540 ÷ 565 C sẽ được đưa đến tuốcbin 18. Sau khi ra khỏi tuốcbin, hơi nước có thông số thấp (P = 0,3 ÷ 0,04 kG/cm2, nhiệt độ t = 400C) sẽ đến bình ngưng tụ 19 (nằm bên dưới tuốcbin – gian máy). Ở đây hơi nước trở thành nước nhờ sự trao đổi nhiệt. Nước lạnh sẽ đưa vào hệ thống dàn ống nhờ bơm 17, dàn ống này đặt ở bình ngưng tụ để trao đổi nhiệt với hơi nước từ tuabin thoát ra. Nước trong bình ngưng tụ được bơm 21 (bơm ngưng) đưa đến bộ phận khử khí 16. Từ đây nước ngưng tụ lại được đưa đến bộ phận hâm nước 13 rồi đưa đến bộ hâm nước tiết kiệm 8 và đưa vào bao hơi 6. Như vậy, nước đã thực hiện một chu trình kín. Tuy nhiên do có tổn thất nên luôn luôn phải bổ sung vào bao hơi một lượng nước đã được xử lý. Cả nước ngưng tụ và nước bổ sung sau khi đã xử lý đều được đưa qua bộ gia nhiệt 13 nhờ bơm cấp cấp 14. Nước cấp cho bao hơi là nước đã được hâm nóng ở bộ phận hâm nóng 13 và bộ phận 15 nhờ hơi nóng lấy từ tầng tái nhiệt của tuabin. 1.2 Lò hơi trong nhà máy nhiệt điện 1.2.1. Vai trò của lò hơi trong nhà máy nhiệt điện Trong nhà máy nhiệt điện có thể nói lò hơi là trái tim của nhà máy. Lò hơi là thiết bị trong đó xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa ra sẽ biến thành hơi, biến năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt năng của dòng hơi, lò hơi làm nhiệm vụ chuyển hoá năng lượng. Lò hơi là thiết bị có mặt hầu hết ở trong tất cả các xí nghiệp nhà máy để sản xuất hơi nước phục vụ cho quá trình sản xuất điện năng trong nhà máy điện,phục vụ cho các quá Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên
8 trình đun nấu chưng cất dung dịch, sấy sản phẩm trong các quá trình công nghệ ở các nhà máy hóa chất, đường, rượu, bia, nước giải khát, thuốc lá, dệt, chế biến thực phẩm…. 1.2.2 Phân loại lò hơi nhà máy điện Có nhiều cách để phân loại lò hơi, trong đó có :dựa vào chế độ chuyển động của nước trong lò, dựa vào thông số hơi, dựa vào cách đốt nhiên liệu… a)Dựa vào chế độ chuyển động của nước trong lò. • Lò hơi đối lưu tự nhiên : môi chất chỉ chuyển động đối lưu tự nhiên do sự chênh lệch về mật độ trong nội bộ môi chất mà không tạo được vòng tuần hoàn tự nhiên, thường gặp ở các lò hơi công suất nhỏ. • Lò hơi tuần hoàn tự nhiên : môi chất tạo được vòng tuần hoàn tự nhiên nhờ sự chênh lệch về mật độ trong nội bộ môi chất, đây là loại lò hơi thường gặp nhất trong các lò hơi công suất trung bình và lớn. • Lò hơi tuần hoàn cưỡng bức : môi chất chuyển động theo quỹ đạo khép kín dưới tác dụng của bơm, thường gặp trong lò hơi có thông số cao. • Lò hơi đối lưu cưỡng bức : dưới tác dụng của bơm môi chất chỉ đi theo một chiều, nhận nhiệt biến dần thành hơi đưa ra sử dụng mà không có tuần hoàn đi lại. b) Dựa vào thông số hơi. • Lò hơi thông số thấp : áp suất p60bar, nhiệt độ t từ 450-540 C. • Lò hơi thông số siêu cao : áp suất p>140bar c) Dựa vào cách đốt nhiên liệu. • Lò hơi đốt theo lớp : Nhiên liệu rắn (than, củi , bã mía) được xếp thành lớp trên ghi để đốt.Có loại ghi cố định, có loại ghi chuyển động được gọi là ghi xích (ghi xích thuận chiều hoặc ngược chiều). • Lò hơi đốt phun : Nhiên liệu khí, nhiên liệu lỏng phun thành bụi, nhiên liệu rắn 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 đặc biệt : thường gặp 2 loại : buồng lửa xoáy và buổng lửa tầng sôi. Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên
9 Buồng lửa xoáy có thể đốt than cám nguyên khai hoặc nghiền sơ bộ. Nhiên liệu và không khí được đưa vào buồng lửa hình trụ theo chiều tiếp tuyến với tốc độ cao. Dưới tác dụng của lực ly tâm, xỉ lỏng và các hạt nhiên liệu có kích thước lớn bám sát thành lớp vào tường lò, còn các hạt than nhỏ cùng với chất bốc chuyển động ở vùng trung tâm và cháy trong không gian. Buồng lửa tầng sôi: nhiên liệu rắn nguyên khai hoặc nghiền sơ bộ được đưa vào dưới tác dụng của gió có tốc độ đủ lớn, dao động lên xuống trong một khoảng không gian nhất định của buồng lửa và tiến hành các giai đoạn của quá trình cháy. d) Một số cách phân loại khác. • Dựa vào trạng thái xỉ ra, chia thành hai loại thải xỉ thô và thải xỉ lỏng. • Dựa theo áp suất của không khí và sản phẩm cháy trong buồng lửa, có loại buồng lửa áp suất âm, có loại buồng lửa áp suất dương • Dựa theo cách lắp đặt, có loại di động, loại tĩnh và loại nửa di động. • Dựa theo công dụng có loại lò hơi cấp nhiệt, có loại động lực. • Dựa theo đặc điểm bề mặt truyền nhiệt, có loại hơi ống lò, có loại hơi ống lửa, có loại nằm loại đứng. 1.2.3 Cấ u tạo và nguyên lý hoạt động của lò hơi a) Cấu tạo lò hơi Lò hơi là một thiết bị sinh hơi, có cấu tạo nhằm thực hiện những nhiệm vụ là chuyển hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt năng của sản phẩm cháy, đưa nước cấp vào lò tiếp nhận nhiệt từ sản phẩm cháy để biến thành nước nóng rùi hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt có áp suất nhiệt độ thỏa mãn yêu cầu. Trong lò hơi có cấu tạo khà phức tạp gồm nhiều hệ thống: Hệ thống cung cấp và đốt cháy nhiên liệu. Hệ thống cung cấp không khí và thải sản phẩm cháy. Hệ thống xử lý nước và cấp nước làm mát. Hệ thống sản xuất và cấp nước nóng cho quá trình sinh hơi Hệ thống đo lường,điều khiển. Hệ thống lò: khung lò, tường lò… Hệ thống an toàn. Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên
10 Ở hình vẽ 1-3 sau là cấu tạo bề ngoài của một lò hơi tuần hoàn tự nhiên thường dùng trong nhà máy điện Hình 1.3: Cấu tạo bên ngoài lò hơi Hình 1.4: Cấu tạo bên trong lò hơi Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên
11 b) Nguyên lý hoạt động của lò hơi tuần hoàn tự nhiên. Lò hơi trong nhà máy nhiệt điện thường sản xuất ra hơi là hơi quá nhiệt. Hơi quá nhiệt nhận được nhờ các quá trình đun nóng nước đến sôi, sôi để biến nước thành hơi bão hòa và quá nhiệt hơi để biến hơi bão hòa thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao trong các bộ phận của lò. Công suất của lò hơi phụ thuộc vào lưu lượng, áp suất, nhiệt độ của hơi quá nhiệt. Các giá trị này càng cao thì công suất lò hơi càng lớn và ngược lại. Hiệu quả của quá trình trao đổi nhiệt giữa ngọn lửa, khói với môi chất trong lò hơi phụ thuộc vào tính chất vật lý của môi trường (sản phẩm cháy), của môi chất (nước hay hơi) và phụ thuộc hình dáng, cấu tạo, đặc tính của các phần tử lò hơi. Bắt đầu quá trình sản xuất điện năng là nhiên liệu và không khí được phun qua vòi phun vào buồng lửa tạo thành hỗn hợp cháy và được đốt cháy trong buồng lửa, nhiệt độ ngọn lửa có thể lên đến 19000C. Nhiệt lượng tỏa ra khi nhiên liệu cháy được truyền cho nước trong dàn ống sinh hơi, nước tăng dần đến nhiệt độ sôi và biến thành hơi bão hòa, hơi bão hòa theo ống sinh hơi đi lên bao hơi. Trong bao hơi, hơi được phân ly ra khỏi nước, sau đó nước tiếp tục đi xuống các dàn ống nước xuống đặt ngoài tường lò rồi lại sang các dàn ống sinh hơi để tiếp tục nhận nhiệt. Hơi bão hòa từ bao hơi sẽ đi qua ống góp hơi vào các bộ quá nhiệt bức xạ, bộ quá nhiệt nửa bức xạ và bộ quá nhiệt đối lưu, do đó được tăng nhiệt độ để trở thành hơi quá nhiệt và đi vào ống góp để sang tuabin hơi và biến đổi nhiệt năng thành cơ năng làm quay tuabin. Trong lò hơi thông thường sử dụng từ hai đến ba loại bộ quá nhiệt. Bộ quá nhiệt đối lưu nhận nhiệt chủ yếu bằng đối lưu của dòng khói, đặt trên đoạn đường khói nằm ngang phía sau cụm pheston. Bộ quá nhiệt nửa bức xạ nhận nhiệt cả từ bức xạ của ngọn lửa lẫn đối lưu từ khói, được đặt ở cửa sau buồng lửa, phía trước cụm pheston. Bộ quá nhiệt bức xạ nhận nhiệt chủ yếu từ bức xạ trực tiếp của ngọn lửa, được đặt trong buồng lửa xen kẽ với các giàn ống sinh hơi của hai tường bên. Ngoài ra cụm pheston chính là các ống của giàn ống sinh hơi tường sau nối với bao hơi tạo thành cụm ống thưa hơn để cho khói đi qua ra khỏi buồng lửa. Ống sinh hơi đặt phía trong tường lò nên môi chất trong ống nhận nhiệt và sinh hơi liên tục, do đó trong ống sinh hơi là hỗn hợp hơi và nước. Còn ống nước xuống đặt phía ngoài tường lò nên môi chất trong ống không nhận nhiều nhiệt do đó trong ống xuống là nước. Khối lượng riêng của hỗn hợp hơi và nước trong ống sinh hơi nhỏ hơn khối lượng riêng của nước trong ống nước Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên
12 xuống do đó hỗn hợp trong ống sinh hơi đi lên còn nước trong ống nước xuống đi xuống liên tục tạo nên quá trình tuần hoàn tự nhiên, bởi vậy lò hơi loại này được gọi là lò hơi tuần hoàn tự nhiên. Trong buồng lửa nhiên liệu được nghiền nhỏ và phun vào và cháy lơ lửng trong buồng lửa. Quá trình đốt cháy nhiên liệu xảy ra và tại đây có thể đạt nhiệt độ rất cao tư 13000C đến 19000C, chính vì vậy hiệu quả trao đổi nhiệt bức xạ giữa ngọn lửa với dàn ống sinh hơi rất cao, lượng nhiệt nước trong dàn ống sinh hơi hấp thụ được của ngọn lửa chủ yếu là do trao đổi nhiệt bức xạ. Để hấp thu có hiệu quả nhiệt lượng bức xạ đồng thời có thể bảo vệ tường lò khỏi tác dụng của nhiệt độ cao và ảnh hưởng xấu của tro nóng chảy, người ta bố trí các dàn ống sinh hơi ở xung quanh tường buồng lửa. Để tận dụng triệt để nguòn năng lượng khói ra khỏi buồng lửa được sử dụng cho bộ quá nhiệt biến hơi bão hoà thành hơi quá nhiệt sau đó khói chuyển động ngoài ống để truyền nhiệt cho hỗn hợp hơi nước đang chuyển động trong ống. Khói ra khỏi bộ quá nhiệt có nhiệt độ còn cao, để tận dụng phần nhiệt thừa của khói khi ra khỏi bộ quá nhiệt, ở phần đuôi lò người ta đặt thêm bộ hâm nước và bộ sấy không khí Bộ phận hâm nước có nhiệm vụ gia nhiệt cho nước để nâng nhiệt độ của nước từ nhiệt độ ra khỏi bình gia nhiệt lên đến nhiệt độ sôi và cấp vào bao hơi, đây là giai đoạn đầu tiên của quá trình cấp nhiệt cho nước để thực hiện quá trình hóa hơi đẳng áp nước trong lò. Sự có mặt của bộ hâm nước sẽ làm giảm tổng diện tích bề mặt đốt của lò hơi và sử dụng triệt để nhiệt lượng tỏa ra hơn khi đốt cháy nhiên liệu, làm cho nhiệt độ khói thoát ra khỏi lò giảm xuống, nâng cao hiệu suất lò. Không khí lạnh từ ngoài lò được quạt gió hút vào và thổi qua bộ sấy không khí. Ở bộ sấy, không khí nhận nhiệt của khói và nâng nhiệt độ từ nhiệt độ môi trường lên đến nhiệt độ yêu cầu và được đưa vào vòi phun để cấp cho quá trình đốt cháy nhiên liệu. Như vậy bộ hâm nước và bộ sấy không khí đã hoàn trả lại buồng lửa một lượng nhiệt đáng lẽ bị thải ra ngoài, do đó người ta còn gọi bộ hâm nước và bộ sấy không khí là bộ tiết kiệm nhiệt. Nếu nhiên liệu vào là than và không khí, thì sau quá trình cháy tạo thành sản phẩm cháy cùng với tro xỉ ơ nhiệt độ cao, tro xỉ bị chảy lỏng, một bộ phận kết lại với nhau thành hạt lớn rơi xuống đáy buồng lửa, có thể thải ra ngoài dưới dạng xỉ lỏng, hoặc xỉ khô (sau khi được làm nguội qua trong phễu tro lạnh rồi đông đặc lại). Những hạt tro xỉ bị dòng sản phẩm cháy cuốn theo,nguội dần do truyền nhiệt cho môi chất qua các dàn ống,đông đặc lại Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên
13 trước khi ra khỏi buồng lửa rồi theo sản phẩm cháy đi qua bộ khử bụi, bị tách ra hoặc thải ra ngoài qua ống khói. 1.2.4 Quá trình biến đổi năng lượng trong lò hơi Trong lò hơi nhà máy nhiệt điện có các quá trình biến đổi năng lượng: biến đổi hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt năng, biến đổi nhiệt năng thành cơ năng và biến đổi cơ năng thành điện năng. Quá trình biến đổi năng lượng từ hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt năng của sản phẩm cháy thực hiện trong buồng đốt của lò nhờ quá trình đốt cháy nhiên liệu. Nhiệt lượng này khi khởi động lò sẽ có nhiệm vụ truyền nhiệt tích trữ năng lượng cho các thành phần cấu tạo lò như thành lò, các đường ống dẫn, dàn sinh nhiệt….để đảm bảo chế độ hoạt động của lò. Sau khi khởi động lò nhiệt năng thực hiện nhiệm vụ chính là truyền nhiệt cho môi chất(nước) qua bộ hâm nước, giàn sinh hơi biến một phần nhiệt năng thành hóa năng (nước hóa hơi). Hơi tiếp tục được truyền nhiệt năng qua bộ hơi quá nhiệt, mang nhiệt năng tới tuabin, tại đây quá trình biến đổi năng lượng từ nhiệt năng đến cơ năng xảy ra, hơi mang nhiệt năng bắn vào tuabin biến nhiệt năng và cơ năng của hơi thành cơ năng làm quay tuabin. Quá trình tiếp theo thực hiện biến đổi cơ năng thành điện năng thông qua việc tuabin quay roto chạy máy phát điện. Do có nhiều giai đoạn chuyển hóa năng lượng như vậy mà năng lượng tổn thất khá lớn, tổng nhiệt năng đầu vào được xác định là tổng năng lượng chứa trong nhiên liệu, năng lượng hữu ích được xác định bằng năng lượng điện phát ra Có nhiều dạng tổn thất như: tổn thất do nhiệt năng trong tro, xỉ, tổn thất nhiệt năng trên các đường ống dẫn, năng lượng do bức xạ, tổn thất nhiệt trong khói thải ra ngoài…do đó hiệu suất của lò hơi trong các nhà máy điện cũng thường không cao. 1.2.5 Các đặc tính kỹ thuật của lò hơi Đặc tính kỹ thuật chính của lò là các đại lượng thể hiện số lượng và chất lượng của hơi được sản xuất ra.Số lượng hơi được sản xuất ra được thể hiện bằng sản lượng hơi còn chất lượng hơi được thể hiện bằng thông số của hơi. a) Thông số hơi của lò: Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên
14 Đối với lò hơi nhà máy điện, hơi ra là hơi quá nhiệt do đó thông số hơi của lò được biểu thị bằng nhiệt độ và áp suất của hơi quá nhiệt : tqn( 0C), P qn(Mpa) b) Sản lượng hơi của lò: Sản lượng hơi của lò là lượng hơi mà lò sản xuất ra được trong một đơn vị thời gian (đơn vị: Kg/s hoặc Tấn/h ). Có 3 loại : + Sản lượng hơi định mức (Dđm) : là sản lượng hơi lớn nhất lò có thể đạt được mà vẫn đảm bảo vận hành trong thời gian lâu dài, ổn định với các thông số hơi đã cho mà không phá hủy hoặc gây ảnh hưởng xấu đến chế độ làm việc của lò + Sản lượng hơi cực đại (Dmax) : là sản lượng hơi lớn nhất mà lò có thể đạt được, nhưng chỉ làm việc được trong 1 khoảng thời gian ngắn. Dmax = ( 1,1 - 1,2 )Dđm + Sản lượng hơi kinh tế (Dkt) : là sản lượng hơi mà khi đó lò làm việc với hiệu quả kinh tế cao nhất Dkt = ( 0,8 – 0,9)D đm c) Hiệu suất của lò: Hiệu suất của lò là tỷ số giữa lượng nhiệt mà môi chất hấp thụ được (hay còn gọi là lượng nhiệt có ích) với lượng nhiệt cung cấp cho lò. Hiệu suất của lò có ký hiệu : η D(iqn − ihn' ) η= B.Qlvt Trong đó: D là sản lượng hơi (kg/s) iqn là entanpi của hơi quá nhiệt (kJ/kg) i'hn là entanpi của nước đi vào bộ hâm nước (kJ/kg) B là lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giây (kg/s) Qtlv là nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu (kJ/kg) d)Nhiệt thế thể tích của buồng lửa: Nhiệt thế thể tích của buồng lửa (qv ) là lượng nhiệt sinh ra trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị thể tích của buồng lửa. B.Qtlv qv = Vbl , (W/m3) Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên
15 Trong đó : B là lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giây (kg/s) Qtlv là nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu (kJ/kg) Vbl là thể tích buồng lửa (m 3) Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên
16 CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LÒ HƠI 2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển lò hơi 2.1.1. Đối tượng điều khiển lò hơi Trong nhà máy nhiệt điện có rất nhiều đối tượng điều khiển như tuabin, lò hơi, hệ thống cấp nhiên liệu…hệ thống điều khiển các đối tượng trên rất phức tạp và có quan hệ mật thiết với nhau. Trong nội dung đồ án này ta sẽ nghiên cứu về hệ thống điều khiển lò hơi. Lò hơi là một bộ phận quan trọng của nhà máy nhiệt điện.. Khái quát sơ đồ khối điều khiển lò hơi như sau: Hơi (P,to ,D…) Nước cấp Bao hơi Nhiên liệu Nước dư Trao Buồng đổi Khí thải Không khí đốt nhiệt Tro Hình 2.1: Sơ đồ khối minh hoạ đối tượng điều khiển lò hơi Đầu vào Lò hơi Đầu ra Điều khiển nước cấp Nhiên liệu Không khí Nhiệt độ Áp suất Lưu lượng Hình 2.2: Cấu trúc điều khiển lò hơi Có thể nói lò hơi là một đối tượng phức tạp điều khiển với nhiều đầu vào và nhiều đầu ra, để đơn giản hóa người ta thường tách chúng ra thành những vòng điều khiển chính. Đầu vào của lò hơi bao gồm nhiên liệu (than, dầu, khí đốt… ), không khí gió cung cấp O 2, lượng nước cấp xuống từ bao hơi. Đầu ra của lò hơi là hơi nước bão hòa thoát ra từ bao hơi, lượng Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên
17 nước thừa đi xuống, lượng khói thải, tro xỉ. Như vậy năng lượng đưa vào lò chính là hoá năng có chứa trong nhiên liệu. Năng lượng hữu ích đầu ra của lò được mang đi bởi hơi nước bão hoà (nước là môi chất truyền nhiệt năng). Đầu vào và ra có quan hệ mật thiết với nhau, với mỗi yêu cầu thay đổi đầu ra là công suất máy phát điện thì cần phải điều khiển nhiên liệu vào như than, gió, nước để đáp ứng được sản lượng hơi mong muốn. Trên thực tế hệ thống điều khiển lò hơi nhà máy nhiệt điện là một hệ thống điều khiển có cấu trúc phức tạp với hàng trăm mạch vòng điều khiển khác nhau, giám sát và điều khiển hàng trăm tham số. Trong lò hơi các quá trình điều khiển gió, nhiên liệu, quá trình cháy, hơi, nước cấp…đều có tác động và ảnh hưởng lẫn nhau, để đạt được hiệu suất tối đa, đáp ứng yêu cầu của tải thì cùng lúc phải phối hợp điều khiển nhiều đối tượng với nhiều thông số. Các hệ điều khiển bao gồm nhiều mạch vòng điều khiển khác nhau nhưng chúng nhưng chúng được xếp vào hai loại điều khiển thực hiện hai nhiệm vụ chính là: + Các mạch vòng điều khiển đảm bảo quá trình chuyển hoá năng lượng. + Các mạch vòng điều khiển đảm bảo chất lượng. + Các mạch vòng điều khiển quá trình chuyển hoá năng lượng là các mạch vòng điều khiển như mức nước để ra được lượng hơi làm quay tuabin, hay điều khiển đốt nhiên liệu để sinh ra được lượng nhiệt năng … +Các mạch vòng điều khiển đảm bảo chất lượng là các mạch vòng điều khiển để thu được hiệu quả kinh tế mong muốn như điều khiển hơi nước ra tuabin phải có áp suất nhiệt độ ổn định với bất kỳ tải thay đổi, hay điều khiển tỷ lệ nhiên liệu và không khí trong buồng đốt để đảm bảo độ cháy tối ưu… 2.1.2 Hệ cân b ằng trong lò hơi Đầu vào đầu ra của lò có mối quan hệ chặt chẽ với nhau dựa trên định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn khối lượng. Trong lò hơi ta có những cân bằng sau: + Cân bằng khối lượng giữa nước cấp và hơi nước. Nước cấp = Hơi bão hoà + nước đi xuống (tuần hoàn) + Cân bằng khối lượng giữa nhiên liệu, gió với khối lượng khói thải, tro xỉ Nhiên liệu + O2 = Khói + tro xỉ + Cần bằng năng lượng lò hơi giữa nhiệt lượng với entanpi nước và tổn thất nhiệt. Năng lượng (Nhiên liệu cháy, nước cấp) = Năng lượng (hơi, khói, tro xỉ)+ tổn thất Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên
18 2.2 Các hệ điều khiển cơ bản trong lò hơi Hệ thống điều khiển lò hơi gồm nhiều qúa trình điều khiển từ khâu cấp nhiên liệu đến khâu sinh hơi đi vào tuabin. Hệ thống điều khiển lò hơi được chia thành các hệ điều khiển chính sau: • Hệ điều khiển cấp nhiên liệu : Điều khiển quá trình cấp nhiên liệu, nghiền và phun than vào trong buông đốt cháy sinh nhiệt năng • Hệ đi ều khiển quá trình cháy : Điều khiển tỷ lệ không khí – nhiên liệu, điều khiển áp suất chân không buồng đốt tức luồng gió cấp không khí và khói thoát, đảm bảo điều kiện cháy tối ưu trong buồng đốt . • Hệ điều khiển mức nước bao hơi : Điều khiển quá trình cấp nước cho bao hơi đảm bảo cân bằng giữa lượng hơi sỉnh ra, lưu lượng nước cấp và nước đi xuống giàn sinh hơi • Hệ điều khiển hơi : đảm bảo các yêu cầu về hơi như :nhiệt độ, áp suất, độ khô, lưu lượng hơi …trước khi vào tuabin Các hệ điều khiển trên bao gồm nhiều mạch vòng điều khiển khác nhau nhưng thực hiện 2 nhiệm vụ chính : điều khiển đảm bảo quá trình chuyển hóa năng lượng, điều khiển đảm bảo chất lượng. Các mạch vòng điều khiển đảm bảo quá trình chuyển hóa năng lượng: Như ta đã biết các quá trình chuyển hóa năng lượng trong nhà máy điện gồm có :từ hóa năng thành nhiệt năng, nhiệt năng lại chuyển hóa thành cơ năng và từ cơ năng chuyển hóa thành điện năng. Trong điều khiển thường đi theo hướng ngược lại, tức là từ yêu cầu phụ tải quyết định công suất máy phát, từ công suất máy phát tính toán ra tổng nhiệt năng yêu cầu. Tổng nhiệt năng yêu cầu tương ứng với lượng nhiên liệu là than và không khí để cấp cho quá trình cháy, đồng thời phải điều khiển nước cấp đảm bảo mực nước trong bao hơi và sản lượng hơi cần thiết. Các quá trình điều khiển này đảm bảo quá trình chuyển hóa năng lượng trong lò hơi Các mạch vòng điều khiển đảm bảo chất lượng : Để hiệu suất lò hơi đạt tối đa, đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất thì phải đảm bảo được chất lượng quá trình cháy và chất lượng hơi.Chất lượng của quá trình cháy phụ thuộc vào nhiên liệu cấp vào lò phải đủ mịn, lượng không khí cấp vào đảm bảo nhiên liệu cháy hết để giảm tổn thất và tạo ra nhiệt năng lớn nhất. Chất lượng của hơi tức là nhiệt độ, áp suất, độ khô và lưu lượng của hơi phải ổn định và đảm bảo đáp ứng yêu cầu. Tất cả các mạch vòng điều khiển có sự liên quan, tác động và Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên
19 ràng buộc lẫn nhau. Hệ thống điều khiển lò hơi rất phức tạp với nhiều đầu vào và đầu ra có tác động xen kênh lớn, thường khi điều khiển người ta đơn giản hóa bằng cách tách ra thành những kênh chính và xây dựng vòng điều chỉnh để ổn định các thông số điều chỉnh. 2.3 Hệ điều khiển cấp nhiên liệu 2.3.1 Các yêu cầu về nhiên liệu Trong lò hơi nhà máy nhiệt điện, nhiên liệu được sử dụng chính là than, ngoài ra người ta cũng dùng thêm cả nhiên liệu đốt là dầu.Than được nghiền trước khi được thổi vào buồng đốt của lò hơi và phải đảm bảo các yêu cầu về độ ẩm, tro chứa trong than, nhiệt trị và độ mịn than. - Độ ẩm của than: độ ẩm của than được định nghĩa là phần trăm nước có chứa trong một đơn vị khối lượng chuẩn. Than có độ ẩm cao sẽ khó vận chuyển từ máy nghiền đến buồng đốt, dễ vón cục khi nghiền và ứ đọng ở thành ống vận chuyển, tiêu tốn nhiệt để làm bốc hơi, làm tăng nhiệt độ đọng sương của khói. Than quá khô dễ gây cháy trong máy nghiền. Vì vậy, than cấp vào lò cần đảm bảo yêu cầu về độ ẩm cần thiết, thông thường dao động trong khoản từ 6-12%. Trước khi cho vào buồng đốt than được sấy khô bằng gió cấp I. - Tro chứa trong than: tro là tổng hợp thành phần không cháy được ở thể rắn thường quy định là tỷ lệ phần trăm còn lại khi đốt nhiên liệu rắn ở 8000C. Tro có làm giảm nhiệt lượng phát ra của nhiên liệu, gây hiện tượng bám bẩn, mài mòn các bề mặt truyền nhiệt, các đường ống dẫn, quạt khói v.v…Trong công nghệ đốt ra thường quan tâm đến nhiệt độ biến dạng, nhiệt độ mềm và nhiệt độ nóng chảy của tro. - Nhiệt trị của than: Nhiệt trị của than là nhiệt lượng sinh ra khi cháy hoàn toàn 1kg than. Nhiệt trị của than có thể xác định trực tiếp bằng nhiệt lượng kế hoặc dùng công thức kinh nghiệm theo các thành phần của than. Việc nhiệt trị thanh biến đổi làm ảnh hưởng đến quá trình cháy trong lò hơi, nhiệt năng tỏa ra sẽ không ổn định dẫn đến lưu lượng hơi ra bị thay đổi nhiều. Khi nhiệt trị than giảm đi tức là lượng gió cháy cần thiết giảm, nên với lưu lượng gió đưa vào lò cố định thì sẽ có một lưu lượng gió thừa cùng khói thoát ra khỏi lò. Lượng gió đó sẽ làm giảm nhiệt độ khói và gây mất nhiệt trong khói, làm giảm hiệu suất của hệ thống. Năng lượng chứa trong một đơn vị chuẩn than cũng thay đổi do sự thay đổi về trọng lượng riêng của than. Với thể tích không đổi, việc biến đổi trọng lượng riêng của than dẫn đến sự chênh áp ở miệng lỗ vòi phun bị thay đổi. Lượng gió cần vận chuyển than cũng thay Luận văn thạc sĩ Nguyễn Hùng Kiên