Nghiên cứu điều khiển bình ngưng nhà máy điện

HÀ DUY THÁI



CB130979

LỜI CẢM ƠN

Sau gần hai năm học tập, nghiên cứu dưới sự quản lý của Viện đào tạo sau
đại học – Trường ĐH Bách khoa Hà Nội. Tới nay bản luận văn thạc sỹ của tôi đã
được hoàn thành đúng thời gian quy định. Xin được tỏ lòng cảm ơn tới Viện đào
tạo sau đại học đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành được luận
văn đúng thời gian quy định. Qua đây cũng cho tôi được cảm ơn tới Ban lãnh
đạo Trường ĐH Hùng Vương, Lãnh đạo bộ môn Cơ – Điện, khoa Toán – Công
Nghệ trường ĐH Hùng Vương đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi cho việc học tập
và nghiên cứu của tôi trong khi đang công tác tại đây.
Luận văn này được hoàn thành với sự hướng dẫn tận tình của thầy TS.
Nguyễn Huy Phương. Em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy về
những góp ý và dẫn dắt em trong thời gian nghiên cứu đề tài này. Luận văn này
được bảo vệ thành công, một phần lớn chính là nhờ vào những ý kiến và góp ý
đó của thầy. Qua đây em cũng mong rằng trong tương lai vẫn luôn nhận được
những ý kiến và dẫn dắt về lĩnh vực chuyên ngành điều khiển và từ động hóa
cũng như trong công tác giảng dạy. Em cũng xin bày tỏ làm biết ơn tới các thầy,
cô trong bộ môn tự động hóa, bộ môn điều khiển tự động, các thầy cô trong viện
điện đã có những ý kiến trao đổi về lĩnh vực chuyên môn. Cũng qua đây cho tôi
xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các anh chị và các bạn đồng nghiệp cùng công tác
với tôi, đã có những góp ý sắc đáng về các vấn đề chuyên ngành đặt ra trong khi
nghiên cứu đề tài này. Rất mong rằng sau khi luận văn được bảo vệ thành công
luôn có được sự giúp đỡ từ các thầy, bạn bè đồng nghiệp để cho đề tài này có thể
được phát triển tiếp cũng như là cho tôi được trưởng thành hơn trong lĩnh vực
chuyên môn.

Hà Nội, tháng 10 năm 2015
Học viên thực hiện

Hà Duy Thái

- 1-


HÀ DUY THÁI



CB130979

MỤC LỤC
CHƯƠNG I ..............................................................................................................12
GIỚI THIỆU VỀ BÌNH NGƯNG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN .................................12
1.1. Thiết bị bình ngưng trong sơ đồ nhiệt nhà máy Nhiệt điện .........................12
1.1.1. Chu trình Rankine trong nhà máy nhiệt điện tuabin ngưng hơi .................12
1.1.2. Nhiệm vụ và nguyên lý cấu tạo của bình ngưng trong nhà máy nhiệt điện15
1.2. Các khái niệm liên quan đến bình ngưng ......................................................15
1.2.1. Áp suất hơi thoát và áp suất trong bình ngưng ...........................................15
1.2.2. Khái niệm về độ chân không trong bình ngưng .........................................17
1.2.4. Bội số làm lạnh, số chặng đường nước và chiều dài ống. ..........................19
1.2.5. Độ kín của hệ thống chân không và hỗn hợp không khí. ..............................22
1.2.6. Độ chênh nhiệt độ và độ hâm nước ............................................................22
CHƯƠNG II ............................................................................................................25
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ THUẬT TOÁN ................................25
ĐIỀU KHIỂN BÌNH NGƯNG ...............................................................................25
2.1. Cơ cấu của quá trình ngưng tụ và các dạng ngưng tụ..................................25

2.2. Sự tản nhiệt và khuếch tán môi chất khí hơi ngưng tụ trong bình ngưng .27
2.3. Những ảnh hưởng tới quá trình truyền nhiệt trong bình ngưng.................29
2.3.1. Ảnh hưởng của tốc độ hơi...........................................................................29
2.3.3. Ảnh hưởng của thiết bị hút thải không khí đến điều kiện trao đổi nhiệt
trong bình ngưng. ......................................................................................................32
2.3.4. Ảnh hưởng của cáu cặn trong ống bình ngưng ...........................................33
2.4. Phân tích công nghệ bình ngưng.....................................................................36
2.5. Các phương trình động học của bình ngưng .................................................37
2.5.1. Phương trình cân bằng năng lượng .............................................................37
2.5.2. Phương trình cân bằng khối lượng .............................................................38
2.6. Điều khiển mức nước bình ngưng ..................................................................38
2.7. Thiết kế bộ điều chỉnh áp suất ........................................................................42
2.7.1. Nhận dạng đối tượng theo số liệu vận hành thực tế của nhà máy ..............42

- 2-


HÀ DUY THÁI



CB130979

2.7.2. Xác định tham số bộ điều khiển từ mô hình đối tượng ..............................49
2.8. Thiết kế bộ điều chỉnh mức nước ngưng. ......................................................52
2.8.1. Sơ đồ khối điều khiển mức nước ngưng .....................................................53
2.8.2. Hàm truyền đạt của cảm biến đo mức nước trong bình ngưng ..................53
2.8.3. Hàm truyền đạt của van nước ra khỏi bình ngưng ....................................54
2.8.4. Xác định tham số bộ điều khiển mức nước bình ngưng. ............................54
CHƯƠNG III. MÔ PHỎNG ĐẶC TÍNH ĐIỀU KHIỂN BÌNH NGƯNG ........57

3.1. Mô hình bình ngưng trên Matlab Simulink .................................................57
3.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................................61
3.2.1. Đặc tính quá độ của áp suất trong bình ngưng ...........................................61
3.2.2. Đặc tính quá độ mức nước trong bình ngưng ............................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................64

- 3-




HÀ DUY THÁI

CB130979

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là : Hà Duy Thái
Sinh ngày: 12/02/1987
Mã HV: CB130979
Học viên lớp cao học khóa 2013B - Ngành Điều khiển và Tự động hóa Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu điều khiển bình ngưng nhà máy điện”
do TS. Nguyễn Huy Phương hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ra ở cuối luận văn, tôi đảm bảo rằng
không sao chép các công trình hoặc kết quả của người khác. Nếu phát hiện có sự sai
phạm với điều cam đoan trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

- 4-



HÀ DUY THÁI

CB130979

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Ý nghĩa

Đơn vị

a, athực

Hệ số ảnh hưởng của cáu cặn tới truyền nhiệt
trong bình ngưng

Cp; Cpl

Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của nước
làm lạnh và của nước ngưng

Fcw; Fs; Fc;

Lưu lượng nước làm lạnh, lưu lượng hơi, lưu
lượng nước ngưng

[J/kg.K]

[kg/s]

G

Gia tốc trọng trường

[m/s2]

A

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

[m2]

Q, q

Phụ tải nhiệt, suất phụ tải nhiệt

[W]; [Wm2]

Mcw

Lưu lượng khối lượng nước làm lạnh

[kg]

Tcw; T

Nhiệt độ nước làm lạnh đầu vào, nhiệt độ nước
làm lạnh đầu ra

[0C]

Tc

Nhiệt độ nước ngưng

[0C]

P

Áp suất bên trong bình ngưng

[kPa]

U

Hệ số truyền nhiệt của bình ngưng

[W/K.m2]

V

Thể tích bình ngưng

[m3]

n

Tốc độ dòng hơi

[m/s]

dH

Đường kính ngoài của ống

[m]

k

Hệ số nhớt động lực học của màng nước ngưng

[kg.s/m2]

m

Hệ số nhớt động học của màng nước ngưng

[m/s2]

n , K

Trọng lượng riêng của hơi và nước ngưng

[kg/m3]

K

Độ dẫn nhiệt của màng nước ngưng

[Kcal/m.g.độ]

- 5-


HÀ DUY THÁI



CB130979

DANH MỤC CÁC BẢNG
Tên bảng

Ý nghĩa

Bảng 2.1

Số liệu đo được thực tế của bình ngưng tại nhà máy điện

Trang

- 6-

37




HÀ DUY THÁI

CB130979

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Tên hình

Ý nghĩa

Trang

Hình 1.1

Sơ đồ thiết bị thực hiện chu trình Rankine

5

Hình 1.2

Sơ đồ nhiệt nguyên lý nhà máy nhiệt điện tuabin ngưng hơi

6

Hình 1.3

Nguyên lý cấu tạo bình ngưng dùng nước làm lạnh đi trong ống

8

Hình 1.4

Đồ thị i-s quá trình giãn nở trong tuabin hạ áp xác định P2

9

Hình 1.5

Sơ đồ thiết bị tuabin ngưng hơi

10

Hình 1.6

Sơ đồ bình ngưng một chặng đường nước

12

Hình 1.7

Sơ đồ bình ngưng hai chặng đường nước

13

Hình 1.8

Sơ đồ bình ngưng có hai khoang nối tiếp theo đường mức, làm

13

việc với áp suất khác nhau

Hình 1.9

Sơ đồ trao đổi nhiệt dọc theo chiều dài

16

Hình 2.1

Quan hệ tỷ số hệ số tản nhiệt  n /  n 0 với mật độ

23

Hình 2.2

Mô hình đơn giản hóa bình ngưng

30

Hình 2.3

Sơ đồ mức nước bình ngưng

32

Hình 2.4

Sơ đồ lưu lượng van

33

Hình 2.5

Sơ đồ điều khiển mức nước bình ngưng

33

Hình 2.6

Sơ đồ khối 2 mạch vòng điều khiển lưu lượng nước ngưng và

36

áp suất của bình ngưng
Hình 2.7

Cửa sổ Import data

39

Hình 2.8

Cửa sổ System Identification Tool –Untiled

39

Hình 2.9

Cửa sổ Transfer funcition

40

Hình 2.10

Polynomial and State Space

41

Hình 2.11

Cửa sổ Process Model

42

Hình 2.12

Đặc tính hàm truyền đạt trong cửa sổ Model

43

Hình 2.13

Cấu trúc khối PID của bộ điều chỉnh

44

Hình 2.14

Sơ đồ khối mạch vòng điều khiển áp suất có phản hồi -1

45

Hình 2.15

Sơ đồ khối mạch vòng điều khiển mức nước

47

- 7-


HÀ DUY THÁI



CB130979

Hình 2.16

Mạch vòng điều chỉnh mức nước

48

Hình 3.1

Sơ đồ mô phỏng mạch vòng điều khiển áp suất và mức nước

52

của bình ngưng trên Simulink
Hình 3.2

Mô hình điều khiển áp suất và mức nước bình ngưng

53

Hình 3.3

Đặc tính quá độ của áp suất trong bình ngưng

54

Hình 3.4

Đặc tính quá độ mức nước trong bình ngưng

55

- 8-


HÀ DUY THÁI



CB130979

MỞ ĐẦU

Nước ta hiện nay đang trong thời kỳ hiện đại hoá - công nghiệp hoá đất nước,
mục tiêu phấn đấu tới hết năm 2020. Để đáp ứng mục tiêu này, một điều đã rõ ràng là

phải đẩy mạnh sự phát triển của ngành năng lượng điện. Bởi vì nó là ngành cần được
phát triển trước một bước. Trong thực tế mấy năm qua cho thấy: chúng ta đã liên tiếp
khai thác các nguồn năng lượng khác nhau để sản suất điện năng. Bên cạnh các nhà
máy thủy điện, nhiệt điện đốt than, tuabin khí đang được sử dụng thì cũng đã có rất
nhiều nhà máy điện đang được xây dựng và đưa vào vận hành. Theo số liệu thống kê
của tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) thông báo tình hình hoạt động đầu tư xây
dựng và sản xuất kinh doanh tháng 4 năm 2015, trong đó thủy điện chiếm 32,27%,
nhiệt điện than chiếm 33,74%, tuabin khí chiếm 32,67%, nhiệt điện dầu chiếm 0,14%
và nhập khẩu Trung Quốc chiếm 1,17%. Theo chương trình phát triển nguồn điện,
dần dần thủy điện sẽ giảm, nhiệt điện than tăng, tua bin khí + dầu sẽ tăng trong mấy
năm tới. Cụ thể, cho tới năm 2020 thì tỷ trọng của các loại điện này sẽ là: Thủy điện
26,6%, nhiệt điện than tăng lên 44,7%, nhiệt dầu khí 19,6%, nguồn năng lượng tái tạo
4,8%, nhập khẩu 2,8% (theo số liệu của chương trình phát triển nguồn điện, Tổng
công ty Điện lực Việt Nam).
Qua số liệu thống kê ta thấy năm 2015 nhiệt điện đốt than chiếm 33,74% thì
đến năm 2020 dự kiến tăng lên 44,7%. Điều đó chứng tỏ ngoài các nhà máy nhiệt
điện đốt than đang vận hành như là nhà máy nhiệt điện Phả Lại 1, 2; nhà máy nhiệt
điện Ninh Bình, nhà máy nhiệt điện Uông Bí; nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả; nhà máy
nhiệt điện Hải Phòng; nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh, ... thì việc mở rộng và xây
thêm nhà máy Nhiệt điện than là điều hết sức cần thiết. Vấn đề về vận hành, thiết kế
mở rộng nhà máy làm sao cho kinh tế và hiệu quả nhất sẽ là rất quan trọng. Trong đó
có một vấn đề là duy trì độ chân không có lợi nhất cho bình ngưng. Thực tế cũng cho
thấy hầu hết các nhà máy nhiệt điện ngưng hơi của nước ta đã có đều dùng nguồn
nước làm mát là nước sông theo sơ đồ hở, ví dụ như: nhà máy nhiệt điện Phả Lại 1
dùng nước sông Thái Bình, nhà máy nhiệt điện Uông Bí dùng nước sông Uông, nhà

- 9-


HÀ DUY THÁI



CB130979

máy nhiệt điện Ninh Bình dùng nước sông Đáy. Điều kiện khí hậu nước ta lại thay
đổi rất rõ rệt theo mùa, nhiệt độ trung bình nước sông thay đổi rất nhiều giữa mùa
đông và mùa hè. Theo số liệu khảo sát được tại Phả Lại của sông Thái Bình thì nhiệt
độ thấp nhất về mùa đông là 15°C, trong khi đó, về mùa hè nhiệt độ cao nhất lại lên
tới 32°C. Điều này làm ảnh hưởng tới quá trình truyền nhiệt trong bình ngưng và do
đó làm thay đổi chế độ chân không bình ngưng. Nước sông lại có nhiều phù sa, các
sinh vật phù du, các động vật thân mềm cũng như hà hến ... đều làm ảnh hưởng tới
vấn đề đóng cáu cặn trong ống bình ngưng, gây cản trở dòng nước làm mát đi trong
ống. Như thực tế vận hành bình ngưng tại nhà máy nhiệt điện Phả Lại 1 cho thấy, nhà
máy phải có chế độ rửa ngược đường ống tuần hoàn bằng nước nóng (45 ÷ 53 0C) để
diệt hà hến và thông cáu cặn. Lọt khí và sự làm việc của thiết bị hút thải không khí
cũng có ảnh hưởng lớn tới truyền nhiệt và do đó tới áp suất bình ngưng. Hơn nữa,
mực nước sông cũng thường xuyên thay đổi. Về mùa mưa (từ tháng 6 đến hết tháng
8), mức nước sông thực tế cao nhất tại Phả Lại đo được tại cửa hút của bơm tuần
hoàn là 5 ÷ 6,5 m, nhưng về mùa khô (từ tháng 11 đến hết tháng 2) thì lại rất thấp, chỉ
từ 0,6 ÷ 1,5 m. Sự thay đổi nhiều về mức nước sông này cũng gây khó khăn cho việc
điều chỉnh sự làm việc của các bơm tuần hoàn. Do đó thực tế nhà máy đã phải chia ra
các phương thức vận hành hệ thống bơm tuần hoàn khác nhau và cách đấu nối các
bơm này vào hệ thống cũng như việc điều chỉnh góc quay của cánh bơm sao cho các
bơm được làm việc trong vùng ổn định, đạt hiệu suất cao nhất có thể và cung cấp đủ
lượng nước cần thiết cho việc làm mát và các nhu cầu khác của nhà máy. Phụ tải điện
được phép phát cũng thường xuyên phải thay đổi do phần lớn các nhà máy nhiệt điện
đều phải đáp ứng phần phụ tải nửa ngọn hoặc phụ tải ngọn trong đồ thị phân phối phụ
tải chung của Quốc gia. Chế độ vận hành thường xuyên bị thay đổi do độ dao động
lớn của đồ thị phụ tải làm thay đổi phụ tải nhiệt của bình ngưng. Nếu chế độ duy trì

chân không và chế độ cung cấp nước làm mát không đáp ứng tốt thì cũng sẽ làm
giảm hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất điện ở các nhà máy nhiệt điện kiểu
tuabin ngưng hơi này.
Tóm lại, do điều kiện thời tiết, khí hậu đặc thù như trên, do yêu cầu thay đổi

- 10-


HÀ DUY THÁI



CB130979

phụ tải điện, do các điều kiện trực tiếp hay gián tiếp khác có ảnh hưởng đến vận hành
hệ thống sản xuất điện và tới hệ thống bình ngưng mà một vấn đề có tính cấp thiết đặt
ra cho nghiên cứu là làm sao cho có thể điều khiển vận hành hệ thống bình ngưng
một cách kinh tế và an toàn nhất. Ở mỗi một chế độ vận hành khác nhau về điều kiện
bên ngoài cũng như bên trong hệ thống bình ngưng, làm sao cho có được một bộ các
thông số để duy trì mà đó là một bộ các thông số thích hợp nhất về cả mặt kỹ thuật
cũng như mặt kinh tế trong quá trình sản xuất điện năng. Đối với bình ngưng để
đảm bảo chế độ vận hành hiệu quả kinh tế cũng như an toàn cho thiết bị thì hai
tham số chính là áp suất bình ngưng và mức nước bình ngưng là không thể không
quan tâm. Do vậy trong giới hạn của đề tài này ta đi thiết kế bộ điều khiển cho hai
đại lượng này.
Đề tài này có một ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng, đó là vì khi ta đã vận hành
hệ thống tuần hoàn ở chế độ tối ưu thì đương nhiên là hiệu quả kinh tế (hiệu suất sản
xuất điện) chung của cả nhà máy điện sẽ được cải thiện và do đó trong quá trình vận
hành nhà máy nhiệt điện sẽ đem lại lợi ích cao hơn. Tuy nhiên trong quá trình vận
hành thực tế, có nhiều yếu tố bên ngoài tác động tới bình ngưng, làm cho bình ngưng

không vận hành được chính xác các thông số như đã thiết kế. Điều này ảnh hưởng rất
lớn đến hiệu quả vận hành của toàn hệ thống nhà máy điện cũng như nguy cơ mất an
toàn cho cấu trúc của bình ngưng. Vì vậy, đòi hỏi phải có bộ điều khiển tự động đáp
ứng được các yêu cầu cần thiết giúp cho bình ngưng cũng như chế độ vận hành của
hệ thống đạt được hiệu quả cao nhất. Trong phạm vi của đề tài chỉ đề cấp đến đối
tượng nghiên cứu là các nhà máy nhiệt điện đốt than dùng tuabin ngưng hơi với bình
ngưng kiểu ống có nước làm lạnh đi bên trong.

- 11-


HÀ DUY THÁI



CB130979

CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU VỀ BÌNH NGƯNG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
1.1. Thiết bị bình ngưng trong sơ đồ nhiệt nhà máy Nhiệt điện
1.1.1. Chu trình Rankine trong nhà máy nhiệt điện tuabin ngưng hơi
Để thực hiện việc biến đổi nhiệt năng của các phản ứng cháy nhiên liệu hữu
cơ thành điện năng, các nhà máy nhiệt điện tuabin hơi nước dùng chu trình nhiệt
động là chu trình Rankine.
Trên hình 1.1. Giới thiệu thiết bị thực hiện chu trình Rankine trong đó:
I: Lò hơi
II: Bộ quá nhiệt

1
II

III: Tuabin
IV: Máy phát điện
V: Bình ngưng
VI: Bơm nước ngưng

II
III
I

1’’

IV

I
2

Giải thích các quá trình biến
đổi trạng thái của môi chất trong các

~

4

thiết bị: Nước ngưng được bơm

V

ngưng đưa vào lò hơi. Tại đây, nước

VI

nhận nhiệt của phản ứng cháy nhiên
liệu trong lò hơi I và biến thành hơi

3

Hình 1.1. Sơ đồ thiết bị thực hiện
chu trình Rankine

bão hòa khô ở điểm trạng thái 1”, hơi
này tiếp tục nhận nhiệt trong lò hơi ở

bộ quá nhiệt II và chuyển thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ và áp suất cao. Hơi quá
nhiệt ra khỏi bộ quá nhiệt được dẫn đến tuabin III ở điểm trạng thái vào là điểm 1.
Trong tuabin, hơi giãn nở, sinh công làm quay tuabin và kéo máy phát điện IV sinh
ra điện. Cuối quá trình, giãn nở ở cuối tuabin, hơi có trạng thái ở điểm 2 là hơi bão
hòa ẩm, được dẫn vào thiết bị bình ngưng V, tại đây hơi nhả nhiệt ra môi trường
nhờ vào dòng nước làm lạnh chảy trong ống bình ngưng mang đi, hơi ngưng tụ lại

- 12-




HÀ DUY THÁI

CB130979

thành nước ngưng ở điểm ra khỏi bình ngưng 3 và được bơm ngưng bơm trở lại lò

hơi tiếp tục thực hiện chu trình.
Trên đây đã giới thiệu sơ đồ công nghệ và chu trình Rankine cơ bản, được
ứng dụng vào quá trình sản xuất điện năng. Trong thực tế các nhà máy nhiệt điện
dùng chu trình này thường áp dụng thêm các quá trình và thiết bị phụ khác nhằm
nâng cao khả năng sinh công có ích, tăng hiệu suất của từng thiết bị riêng rẽ, do đó
tăng hiệu suất của toàn chu trình. Chu trình thường thấy trong các nhà máy nhiệt

III

II

IV

V

~
VI

I

VII
X
XII
XI

IX

VIII

Hình 1.2. Sơ đồ nhiệt nguyên lý nhà máy nhiệt điện tuabin ngưng hơi

điện có công suất lớn dùng tuabin ngưng hơi là chu trình Rankine có quá nhiệt trung
gian và áp dụng gia nhiệt hồi nhiệt nước cấp trên sơ đồ thiết bị công nghệ như hình 1.2.
Trong đó: I: Lò hơi; II: Bộ quá nhiệt; III: Bộ quá nhiệt trung gian; IV: Tuabin
cao áp; V: Tuabin hạ áp; VI: Máy phát điện; VII: Bình ngưng; VIII: Bơm ngưng;
IX: Bình gia nhiệt hạ áp; X: Bình khử khí; XI: Bơm cấp; XII: Bình gia nhiệt cao áp.

- 13-


HÀ DUY THÁI



CB130979

Hình 1.2 mô tả sơ đồ công nghệ phổ biến của quá trình sản xuất điện trong
nhà máy nhiệt điện dùng tuabin ngưng hơi. Trong sơ đồ này thì nước ngưng sau khi
ra khỏi bình ngưng VII được bơm ngưng bơm qua các bình gia nhiệt hạ áp IX, ở
đây nước ngưng nhận nhiệt của dòng hơi trích từ phần hạ áp tuabin. Sau đó dòng
nước ngưng chính được đưa vào bình khử khí. Ra khỏi bình khử khí, dòng nước
được bơm cấp XI bơm vào lò hơi qua các bình gia nhiệt cao áp XII. Các bình gia
nhiệt cao áp và hạ áp làm nhiệm vụ gia nhiệt cho dòng nước ngưng trước khi nó
được cấp vào lò hơi. Việc thực hiện trích hơi gia nhiệt chính là việc cacno hóa chu
trình Rankine nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt của chu trình, bởi vì nó làm giảm được
đáng kể lượng hơi vào bình ngưng do đó giảm đáng kể được lượng nhiệt thải Q2 ở
bình ngưng ra môi trường. Lượng nhiệt này được hồi lại cho dòng nước ngưng để
nâng cao nhiệt độ nước cấp vào lò hơi, nhờ đó làm giảm được kích thước bộ hâm
nước phía đuôi lò. Cũng do trích hơi sau khi đã sinh công một phần trong tuabin mà
làm giảm được lưu lượng dòng hơi trong phần hạ áp tua bin. Điều này cho phép
tăng được công suất tổ máy do giảm được kích thước các tầng cánh phía cuối

tuabin. Một phần lớn lượng hơi sau khi đã sinh công trong tuabin cao áp được đưa
quay trở lại lò hơi để quá nhiệt trung gian nhờ bộ quá nhiệt trung gian III. Sau khi
hơi đã được quá nhiệt trung gian mới đưa trở lại tiếp tục sinh công trong tuabin hạ
áp. Việc quá nhiệt trung gian làm tăng được hiệu suất nhiệt của chu trình nếu thực
hiện ở nhiệt độ thích hợp. Hơn nữa và đặc biệt quan trọng là quá nhiệt trung gian sẽ
làm giảm được độ ẩm của các tầng cánh phần cuối tuabin và làm tăng được hiệu
suất trong tương đối cũng như tuổi thọ của các tầng cánh này.
Về mặt lý thuyết thì càng tăng số lần gia nhiệt sẽ càng tăng được hiệu suất
nhiệt chu trình. Tuy nhiên, do chi phí đầu tư và mức độ phức tạp của chu trình tăng
lên mà trên thực tế số lần gia nhiệt sẽ được tính tối ưu về mặt kinh tế và thường thấy
ở các tổ máy có công suất lớn là 5 ÷ 8 lần gia nhiệt là phù hợp. Cũng như vậy, việc
quá nhiệt trung gian trong thực tế thường áp dụng là một lần, cũng có khi là hai lần
với các tổ máy công suất lớn.

- 14-


HÀ DUY THÁI



CB130979

1.1.2. Nhiệm vụ và nguyên lý cấu tạo của bình ngưng trong nhà máy nhiệt điện
Như trên đã biết, để lượng hơi xả ra khỏi tuabin tiếp tục thực hiện chu trình
của mình thì nó phải nhả lượng nhiệt ẩn ngưng tụ ra ngoài môi trường và ngưng tụ
lại thành nước ngưng. Bình ngưng trong sơ đồ nhà máy nhiệt điện là một trong bốn
thiết bị chính của chu trình. Thực chất nó là một thiết bị trao đổi nhiệt mà trong đó
hơi bão hòa ẩm thoát khỏi tuabin nhả nhiệt qua bề mặt truyền nhiệt cho môi chất
làm lạnh để ngưng tụ lại thành nước ngưng. Chất tản nhiệt này thường được dùng là

nước hoặc không khí. Nguyên lý cấu tạo của các loại bình ngưng như hình 1.3
Trong đó:
1: Cửa hơi vào
2: Cửa nước ngưng ra
3: Vỏ bình ngưng
4: Các ống truyền nhiệt
5: Cửa nước làm lạnh vào
6: Cửa nước làm lạnh ra
Nhiệm vụ của thiết bị
ngưng tụ trong sơ đồ nhiệt nhà
máy nhiệt điện đã rõ ràng và tỏ
ra đơn giản. Nhưng trong thực

Hình 1.3. Nguyên lý cấu tạo bình ngưng dùng
nước làm lạnh đi trong ống

tế, như đã biết nếu lượng nhiệt của lò hơi cung cấp là 100% thì có vào khoảng 50%
của lượng nhiệt này phải được thải ra ngoài môi trường nhờ vào thiết bị ngưng tụ
này. Hơn nữa áp suất thoát ra khỏi tua bin vào bình ngưng là áp suất nhỏ hơn áp
suất khí quyển. Nếu truyền nhiệt xẩy ra trong điều kiện có lọt nhiều không khí
lượng nhiệt được truyền ra ngoài cho nước làm lạnh sẽ phải trải qua thêm một nhiệt
trở của lớp không khí. Do đó sẽ làm tăng áp suất trong bình ngưng và gây giảm hiệu
suất của quá trình sản xuất điện.
1.2. Các khái niệm liên quan đến bình ngưng
1.2.1. Áp suất hơi thoát và áp suất trong bình ngưng
Áp suất hơi thoát là áp suất tuyệt đối của dòng hơi thoát khỏi tuabin ở trước

- 15-



HÀ DUY THÁI

CB130979

cửa vào của ống thoát vào bình ngưng, hay nói cách khác nó cũng là áp suất tuyệt
đối của dòng hơi thoát ở điểm sau tầng cánh động cuối cùng của tuabin. Áp suất này
sẽ ký hiệu là P2 và xác định trên đồ thị i-s của quá trình giãn nở dòng hơi trong phần
hạ áp tuabin như sau:

p2

i

x 1

2

X2
S

0

Hình 1.4. Đồ thị i-s quá trình giãn nở trong tuabin hạ áp
xác định P2
Áp suất bình ngưng P là áp suất tuyệt đối của hỗn hợp hơi trong bình ngưng.
Áp suất này được xác định khi trong bình ngưng có cân bằng nhiệt động giữa pha
hơi và pha lỏng ngưng tụ của nó. Do bình ngưng luôn luôn làm việc ở áp suất thấp
hơn áp suất khí quyển nên luôn có lẫn không khí trong bình ngưng. Ngoài ra, trong

bình ngưng còn có lẫn các khí hòa tan khác do hơi thoát mang vào. Nên trong bình
ngưng luôn tồn tại hỗn hợp hơi nước - các khí. Áp suất bình ngưng P chính là tổng
các phân áp suất của các khí lẫn vào cộng với phân áp suất của hơi nước.
Dòng hơi thoát khỏi tuabin được dẫn vào bình ngưng qua một ống thoát, do
đó có sự tổn thất áp suất. Chính vì vậy mà xét về độ lớn thì áp suất bình ngưng P sẽ
nhỏ hơn áp suất hơi thoát P2 một lượng bằng tổn thất áp suất dọc đường đi của hơi
từ cuối tuabin tới bình ngưng. Mối liên hệ giữa P2 và P này rất phức tạp, nó phụ
thuộc vào không những hình dạng, kích thước của ống thoát mà còn phụ thuộc vào
trạng thái động học của dòng hơi thoát khỏi tuabin. Có thể đánh giá sự phụ thuộc

- 16-




HÀ DUY THÁI

CB130979

này bằng một công thức thực nghiệm như sau:

P  .(n /100).P
Trong đó:  là hệ số mất mát, được thực nghiệm xác định rằng nó thường
biến đổi trong phạm vi 0,07 ÷ 0,1; còn n là tốc độ dòng hơi thoát khỏi tuabin vào
ống thoát tính bằng m/s; P, P được tính theo cùng đơn vị áp suất.
1.2.2. Khái niệm về độ chân không trong bình ngưng
Một trong những phương pháp nâng cao hiệu suất của thiết bị tuabin là giảm
nhiệt độ hơi thoát ra khỏi tuabin. Những
tuabin hiện đại thì ở tầng sau cũng

I

thường có độ chân không cao, nghĩa là
áp suất tuyệt đối tại đó thấp. Độ chân
không ở sau tuabin được tạo thành do sự
ngưng tụ hơi trong thiết bị đặc biệt gọi

V

là bình ngưng. Còn quá trình ngưng tụ

II

hơi được thực hiện bằng cách lấy đi
nhiệt ẩn hóa của hơi ở áp suất không
đổi. Môi trường làm lạnh thường dùng
nước, đôi khi còn dùng không khí, nhiệt
độ của môi trường làm lạnh cần phải

IV

III

thấp hơn nhiệt độ của hơi ngưng tụ.
Ta khảo sát sơ đồ của thiết bị
Hình 1.5. Sơ đồ thiết bị tuabin ngưng hơi

ngưng hơi trên hình vẽ 1.5.
Trong sơ đồ này, hơi thoát ra khỏi

tầng cuối tuabin I thì đi vào bình ngưng II. Trong không gian bình ngưng xảy ra quá
trình ngưng tụ hơi liên tục do sự truyền nhiệt ẩn hóa hơi cho nước làm lạnh cung cấp
bởi bơm tuần hoàn III. Hơi ngưng tụ thành nước được bơm nước ngưng IV hút đi.
Áp suất cân bằng giữa hơi và nước ngưng phụ thuộc vào nhiệt độ nước
ngưng. Đối với hơi bão hòa quan hệ này gọi là đơn trị, nghĩa là: Ứng với một nhiệt
độ của hơi bão hòa ngưng tụ thì tương ứng với một giá trị áp suất xác định. Nhiệt độ

- 17-




HÀ DUY THÁI

CB130979

của hơi trong bình ngưng phụ thuộc vào nhiệt độ làm lạnh. Giới hạn nhiệt độ thấp
nhất của hơi trong bình ngưng bằng nhiệt độ của nước làm lạnh. Khi áp suất trong
bình ngưng thấp hơn áp suất khí quyển ta nói rằng trong bình ngưng có độ chân
không.
Yêu cầu phải tránh không cho không khí lọt vào bình ngưng. Nhưng thực tế,
trong bình ngưng và tuabin luôn có độ chân không và không kín nên vẫn có một
lượng nhỏ không khí lọt vào. Ngoài ra, cũng có một phần không khí lẫn trong hơi từ
lò vào tuabin. Do đó trong bình ngưng luôn có hỗn hợp hơi không khí. Áp suất
chung của hỗn hợp này trong bình ngưng bằng tổng áp suất riêng phần của hơi và
không khí. Nếu không loại trừ không khí của hơi ra khỏi bình ngưng thì không tạo
được độ chân không cao. Vì vậy để duy trì được độ chân không thì cần phải hút liên
tục không khí ra khỏi bình ngưng bằng bơm chân không V.
1.2.3. Suất phụ tải nhiệt và suất phụ tải hơi
Lượng nhiệt cân bằng giữa quá trình thải nhiệt do ngưng tụ hơi và quá trình

nhận nhiệt của nước làm lạnh trong một đơn vị thời gian gọi là phụ tải nhiệt bình
ngưng, ký hiệu là Qk, [W]. Phụ tải nhiệt bình ngưng có khi còn được gọi là công
suất nhiệt bình ngưng. Nó chính là lượng nhiệt trao đổi giữa hơi và nước làm lạnh
trong bình ngưng trong một đơn vị thời gian trên toàn bộ diện tích bề mặt làm lạnh
của bình ngưng.
Suất phụ tải nhiệt bình ngưng qk là phụ tải nhiệt tính trên một đơn vị diện
tích bề mặt làm lạnh của bình ngưng. Nếu gọi F là tổng diện tích bề mặt làm lạnh
của bình ngưng thì: qk = Qk/F [W/m2]

(1.4)

Lưu lượng hơi thoát khỏi phần hạ áp tuabin đi vào bình ngưng Fs [kg/s] gọi
là phụ tải hơi của bình ngưng. Còn suất phụ tải hơi dk là phụ tải hơi tính trên một
đơn vị diện tích trao đổi nhiệt bình ngưng.
dk = Fs/F

[kg/(m2.s)]

(1.5)

Nếu gọi i là lượng nhiệt của l kg hơi cần thải ra ở bình ngưng để ngưng tụ
lại thì ta có liên hệ sau đây giữa suất phụ tải nhiệt và suất phụ tải hơi:
Qk = i . Fs = (i2 - ik ). Fs [W]

- 18-

(1.6a)




HÀ DUY THÁI

CB130979

Hay q k  i.d k
Ở chế độ định mức thì giá trị của dk thường vào khoảng 30 ÷ 45 [kg/(m2h)].
1.2.4. Bội số làm lạnh, số chặng đường nước và chiều dài ống.
Nếu gọi lưu lượng nước làm lạnh là Fcw [kg/s] thì bội số làm lạnh m được
định nghĩa là tỷ số giữa lưu lượng nước làm lạnh và phụ tải hơi của bình ngưng:

m  Fcw / Fs . Khi tính nhiệt bình ngưng, người ta thường chọn giá trị của bội số làm
lạnh ở trong khoảng m = 50÷ 90. Số chặng đường nước Z được hiểu là số lần dòng
nước làm lạnh đi trong cụm ống dọc theo chiều dài ống bình ngưng mà không đổi
hướng đi của nó. Trong thực tế thường gặp các bình ngưng bề mặt có loại 1 chặng
đường nước hoặc 2 chặng đường nước tùy theo công suất của tổ máy là nhỏ hay
lớn. Sơ đồ mô tả các loại bình ngưng với số chặng đường nước khác nhau thể hiện

Hơi vào

Nước làm
lạnh vào

Nước làm
lạnh ra

Nước ngưng
ra
Hình 1.6. Sơ đồ bình ngưng một chặng đường nước
như trên hình vẽ 1.6, hình 1.7 và hình 1.8.

- 19-




HÀ DUY THÁI

CB130979

Hơi vào

Nước làm
lạnh vào

Nước làm
lạnh ra
Nước ngưng ra

Hình 1.7. Sơ đồ bình ngưng hai chặng đường nước
Không khí và các khí không ngưng khác lọt vào bình ngưng được tách ra
khỏi hỗn hợp và hút ra ngoài bằng bơm chân không. Trong bình ngưng tạo nên
luồng chuyển động của hỗn hợp hơi không khí từ cổ bình ngưng đến lỗ rút không
Hơi vào có
áp suất p1

Hơi vào có
áp suất p2

Nước làm

lạnh vào

Nước làm
lạnh ra

Nước
ngưng ra
Hình 1.8. Sơ đồ bình ngưng có hai khoang nối tiếp theo đường mức, làm
việc với áp suất khác nhau

- 20-


HÀ DUY THÁI



CB130979

khí. Hỗn hợp không khí trong không gian giữa các ống đồng chuyển động theo một
quỹ đạo cong, đặc tính của quỹ đạo này phụ thuộc vào cách bố trí cụm ống trong
bình ngưng. Quá trình ngưng tụ hơi được xẩy ra dần dần trên các quỹ đạo chuyển
động này.
Ngoài ra, khi tổ máy có công suất rất lớn người ta thường làm các bình
ngưng có nhiều khoang, thường thấy là hai hoặc 3 khoang. Trong mỗi khoang lại có
thể thấy nhiều chặng đường nước. Các khoang được mắc nối tiếp hoặc vòng tròn
xen kẽ. Các khoang thường làm với áp suất hơi thoát khác nhau. Sơ đồ sau mô tả
cách mắc hai khoang đơn chặng nối tiếp nhau theo đường nước.
Gọi di và d0 lần lượt là đường kính trong, ngoài của ống bình ngưng [m], n là
tổng số ống của bình ngưng; Z, nz lần lượt là số chặn đường nước và số ống trong

mỗi chặng; L là chiều dài của mỗi ống [m];  là tốc độ trung bình của nước làm
lạnh chảy trong các ống [m/s].  là khối lượng riêng của nước trong ống [kg/m3].
Ta có công thức của lưu lượng nước làm lạnh:

Fcw  .di 2 .n z . / 4 [m3/s] = .di 2 .n z .
. / 4 [kg/s]

(1.2)

Giả sử rằng, số ống trong mỗi chặng là như nhau thì có n  Z.n z . Mặt khác,
do bề mặt trao đổi nhiệt A được tính theo công thức:

A  .d0 .L.n  .d0 .L.Z.n z [m2]

(1.3)

Từ các công thức (1.2) và (1.3) ta tính được chiều dài mỗi ống là:

L=

di 2 .A..
[m]
4.Fcw .d 0 .Z

Rõ ràng là ở một phụ tải nhiệt nào đó thì việc chọn bình ngưng có số chặng
đường nước Z nhỏ sẽ làm tăng chiều dài ống L. Chiều dài ống không thể quá một
giá trị giới hạn nào đó mà giá trị giới hạn này do không gian đặt bình ngưng ở dưới
tuabin và do sức bền của ống quy định.

- 21-

HÀ DUY THÁI



CB130979

1.2.5. Độ kín của hệ thống chân không và hỗn hợp không khí.
Trong thời gian làm việc mà các khoảng không gian của các thiết bị tuabin,
bình ngưng và các bình gia nhiệt nước cấp có độ chân không thì ta gọi đó là hệ
thống chân không.
Không khí và các khí không ngưng tụ khác lọt vào bình ngưng bằng 2 con
đường:
- Lẫn trong hơi từ lò sang tua bin.
- Lọt qua các khe hở của hệ thống chân không.
Lượng không khí lẫn trong hơi từ lò mang sang tuabin thường rất ít chỉ bằng
vài phần trăm lượng không khí rút ra khỏi bình ngưng. Vì thế lượng không khí rút
ra khỏi bình ngưng là tiêu chuẩn chủ yếu để xác định độ kín của hệ thống chân
không.
Lượng không khí lọt vào bình ngưng phụ thuộc vào:
- Cấu tạo và kích thước của thiết bị tuabin.
- Độ kín khi lắp ráp các thiết bị: tuabin, bình ngưng, các bình gia nhiệt, các
mặt bích nối các phần tử thiết bị và đường ống.
Để tránh lượng không khí lọt vào hệ thống chân không người ta cần phải áp
dụng chen thủy lực tại các mặt bích nối trong hệ thống chân không. Thực tế đã
chứng mình rằng: khi áp dụng chen thủy lực tại các mặt bích thị lượng không khí lọt
vào sẽ giảm đi khá nhiều.
Lượng không khí lọt vào thường tăng khi giảm phụ tải của tuabin vào bình
ngưng, bởi vì khi đó phạm vi hệ thống chân không tăng lên, do đó xuất hiện thêm vị

trí mới là nơi không khí có thể lọt vào.
1.2.6. Độ chênh nhiệt độ và độ hâm nước
Trao đổi nhiệt xảy ra trong bình ngưng là trao đổi nhiệt khi ngưng tụ hơi. Sơ
đồ thay đổi nhiệt độ của dòng hơi và dòng nước dọc theo đường đi của nước trong
ống như hình 1.9:

- 22-




HÀ DUY THÁI

CB130979

t
hơi

Tc

t
T
nước

T

Tcw

0

L

Hình 1.9. Sơ đồ trao đổi nhiệt dọc theo chiều dài
ống
Nhiệt độ bão hòa của hơi ở áp suất P được tính theo công
thức: Tbh  t  T  Tcw

(1.11)

Trong đó: t  TC  T , là độ chênh nhiệt độ tại đầu ra của nước làm lạnh so
với nhiệt độ hơi. Còn t  T  Tcw , là độ hâm nước trong bình ngưng (độ gia nhiệt
nước). Dùng cân bằng nhiệt giữa nước nhận vào và hơi nhả ra ta sẽ có:

Fcw .n .T  Fs .i  Fs (i 2  i k )

(1.12)

Độ chênh nhiệt độ t phản ánh điều kiện truyền nhiệt tốt hay xấu diễn ra trong
bình ngưng. Còn độ chênh nhiệt độ trung bình logarit được tính theo công thức:

t tb 

(Tc  Tcw )  (Tc  T ) T  Tcw
T


T  Tcw
t  T
t  T
ln

ln
ln c
t
t
Tc  T

(1.13)

Theo công thức (1.11) thì nhiệt độ bão hòa của hơi tương ứng với áp suất P
sẽ phụ thuộc vào 3 yếu tố sau:
+ Điều kiện truyền nhiệt từ hơi nước tới nước làm lạnh qua bề mặt ống bình
ngưng, phản ánh bởi độ chênh nhiệt độ t . Các ảnh hưởng tới truyền nhiệt này sẽ
được đề cập rõ hơn trong mục sau.
+ Độ hâm nước trong bình ngưng T . Theo công thức (1.12) thì muốn giảm

T ta phải tăng bội số làm lạnh m, tức là phải tăng công suất của bơm tuần hoàn.
+ Nhiệt độ nước làm lạnh đầu vào Tcw. Tức là phụ thuộc vào điều kiện thời

- 23-


HÀ DUY THÁI



CB130979

tiết khí hậu ở nơi đặt bình ngưng.
Nếu cho trước nhiệt độ vào của nước làm lạnh Tcw, muốn giảm nhiệt độ bão
hòa T (giảm P) thì phải giảm từng yếu tố t hoặc T , nhưng cũng có thể đồng thời

giảm cả hai yếu tố này. Nếu cả nhiệt độ Tcw và áp suất P đều cho trước thì vẫn theo
công thức (1.11) ta sẽ có: t + T = T – Tcw = const. Do đó, khi giảm T thì sẽ
làm tăng t và ngược lại. Nên khi đó phải tính toán tối ưu giữa độ tăng t (giảm bề
mặt trao đổi nhiệt bình ngưng) và độ giảm T (tăng công suất của bơm tuần hoàn)
sao cho có lợi nhất. Tuy nhiên, đó là một bài toán lựa chọn tối ưu mà khi thiết kế
bình ngưng ta phải để ý tới.

- 24-


HÀ DUY THÁI



CB130979

CHƯƠNG II
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ THUẬT TOÁN
ĐIỀU KHIỂN BÌNH NGƯNG

Như đã biết, các thiết bị trong nhà máy nhiệt điện đều được tính toán tối ưu ở
các điều kiện thiết kế. Có nghĩa là: sự làm việc của toàn bộ nhà máy nói chung cũng
như của từng thiết bị nói riêng sẽ làm việc ổn định và hiệu quả nhất chỉ ở một chế
độ, chế độ đó là chế độ thiết kế. Trong chế độ này, tất cả các thông số cơ bản đặc
trưng cho quá trình của thiết bị đều đã được chọn lựa là có lợi nhất. Tuy nhiên trong
thực tế làm việc, không phải các điều kiện thiết kế đặt ra ấy đều được duy trì. Điều
này do nhiều nguyên nhân mà cơ bản là do những điều kiện môi trường bên ngoài
hệ thống thiết bị thường xuyên thay đổi (không giống như điều kiện thiết kế đặt ra)
hoặc do những điều kiện bên trong hệ thống thiết bị cũng thường xuyên thay đổi
theo thời gian. Tất cả những thay đổi này kết hợp lại với nhau tạo nên các chế độ

thay đổi của hệ thống thiết bị. Trong chương này sẽ đưa ra phương pháp tiếp cận
đối tượng bằng cách mô tả các quá trình cơ bản xảy ra bên trong cũng như các quá
trình có liên quan từ bên ngoài tới đối tượng dưới dạng các phương trình toán học
(mô hình toán) mà nhờ vào các mô tả về bản chất này sẽ giúp ta xác định được các
biến cần điều khiển, các biến quá trình.... Ngoài ra, nhờ vào việc mô hình hóa đối
tượng, ta có thể xây dựng được các chương trình tính toán tự động, các mạch vòng
điều khiển, các tham số cho bộ điều khiển. Kết quả của các bộ điều khiển này được
dùng để tự động điều chỉnh, đưa đối tượng trở về những điều kiện làm việc tối ưu
hoặc là các kết quả của các bộ điều khiển này được mô phỏng giúp con người nhận
biết và hiểu được các diễn biến về tình trạng làm việc hiện tại của thiết bị mà từ đó
điều khiển vận hành nó một cách kinh tế nhất.
2.1. Cơ cấu của quá trình ngưng tụ và các dạng ngưng tụ
Trong bình ngưng tua bin việc chuyển hóa pha hơi thành pha lỏng được thực
hiện trên bề mặt của các ống đồng bình ngưng.

- 25-