Hệ thống giám sát nhà máy nhiệt điện cà mau

ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn của riêng
tôi được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS-TS. Hoàng Minh Sơn.
Kết quả nghiên cứu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa
được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm với nội dung luận văn không có sự
sao chép từ các luận văn khác.
Hà Nội, ngày

tháng 05 năm 2012

Học viên

Hoàng Văn Duyên

Học viên: Hoàng Văn Duyên


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS-TS. Hoàng Minh Sơn, người thầy rất gần
gũi đã đề ra phương hướng, truyền thụ những kinh nghiệm chuyên môn với tất cả
niềm đam mê nghiên cứu khoa học, hết lòng chỉ bảo, tận tình hướng dẫn, dìu dắt và

giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học.
Tôi xin chân thành cám ơn Quý Thầy, Cô Trường Đại Học Bách Khoa Hà
Nội đã trang bị cho tôi một khối lượng kiến thức rất bổ ích và quí báu trong suốt
quá trình học tập và nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn Quý Thầy, Cô trong Ban Giám Hiệu Trường Cao
Đẳng Nghề LILAMA2 đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi tham gia học tập, công tác
và trong suốt thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
Xin cảm ơn mẹ và vợ đã động viên tạo nên sức mạnh phi thường để con thực
hiện ước mơ của mình là học tập tốt trở thành người có ích cho xã hội.
Xin cảm ơn người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và các bạn học
cùng khóa đã giúp đỡ, động viên, góp ý xây dựng trong thời gian nghiên cứu, học
tập và thực hiện luận văn này.
Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn!
Đồng Nai,ngày tháng 05 năm 2011
Học viên thực hiện

Hoàng Văn Duyên

Học viên: Hoàng Văn Duyên


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU......................................................................................................................2

1. Mục đích, ý nghĩa của đề tài............................................................................2
2. Nhiệm vụ của đề tài ..........................................................................................3

3. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................3
4. Cấu trúc của luận văn ......................................................................................4
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN CÀ MAU 1 .....5

1.1 Tổng quan nhà máy.......................................................................................5
1.2. Quy trình công nghệ của nhà máy ...............................................................6
1.3. Chu trình nhà máy nhiệt điện ngưng hơi có 2 cửa trích ...........................8
1.4. Cấu hình công nghệ của hệ thống ..............................................................11
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHÀ MÁY .....................17

2.1. Mô hình phân cấp chức năng tự động hóa nhà máy ................................17
2.2. Cấu trúc và chức năng điều khiển ..............................................................19
2.2.1 Cấu trúc điều khiển và giải pháp thiết bị ...............................................19
2.2.2 Các chức năng điều khiển chính của hệ thống .......................................24
2.3. Cấu trúc và chức năng điều khiển giám sát...............................................27
2.4. Cấu trúc vào-ra và công nghệ sử dụng ......................................................31
2.5. Đề xuất mở rộng và nâng cấp hệ thống .....................................................33
CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TUỐC BIN HƠI ST12 .............................35

3.1. Khái niệm về tuốc bin hơi............................................................................35
3.1.1. Sơ đồ cấu tạo của tuốc bin hơi ................................................................35
3.1.2. Sơ đồ nguyên lý của tuốc bin hơi ............................................................36
3.1.3. Đặc tính kỹ thuật .....................................................................................37
3.1.4. Quá trình hơi sinh công ..........................................................................38
Học viên: Hoàng Văn Duyên


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

3.1.5. Tầng tuốc bin...........................................................................................40
3.2 Phương pháp điều khiển tuốc bin hơi ST12 hiện tại ................................41
3.3 Phương án điều khiển phản hồi trạng thái cho tuốc bin hơi ...................45
3.3.1 Xây dựng mô hình trạng thái của đối tượng ...........................................46
3.3.2 Hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái ................................................48
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN ..........................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................54
PHỤ LỤC

Học viên: Hoàng Văn Duyên


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

HP

: High-Preesure (cao áp)

MP

: Medium- Preesure (trung áp)

LP

: Low- Preesure (hạ áp)

HMI

: Human-Machine Interface (giao diện người và máy)

SCADA

: Supervisory Control And Data Acquisition (thu thập dữ liệu
điều khiển và giám sát)

I/O

: Input/Output (ngõ vào/ngõ ra)

PLC

: Programmable Logic Controller (thiết bị điều khiển khả trình)

FSC

: Field Control System (Hệ thống điều khiển cấp trường)

ES

: Engineering Station (trạm kỹ thuật)

OS

: Operation Station (trạm vận hành)

Học viên: Hoàng Văn Duyên


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đổ tổng quan nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1 ..........................................6
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý chu trình hỗn hợp nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1............7
Hình 1.3. Sơ đồ thiết bị nhà máy nhiệt điện ngưng hơi 2 cửa trích làm việc theo chu
trình Renkin ..............................................................................................11
Hình 1.4. Sơ đồ cấu hình đơn trục có ly hợp ............................................................12
Hình 1.5. Sơ đồ dàn trải cấu hình đơn trục có ly hợp ...............................................12
Hình 2.1. Mô hình phân cấp chức năng tự động hóa của Nhà máy điện Cà mau 1.17
Hình 2.2. Cấu trúc điều khiển của hệ thống ..............................................................19
Hình 2-3. Cấu trúc điều khiển giám sát ....................................................................28
Hình 2.4. Cấu trúc vào-ra phân tán ...........................................................................32
Hình 2.5. Yêu cầu mở rộng nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1 (thêm một tổ máy)........33
Hình 2.6. Giải pháp mở rộng và nâng cấp hệ thống điều khiển và giám sát (cấu hình
đơn giản hóa của hệ thống) ......................................................................34
Hình 3.1. Cấu tạo tuốc bin hơi ..................................................................................35
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý tuốc bin hơi ....................................................................36
Hình 3.3. Tầng xung lực của tuốc bin .......................................................................41
Hình 3.4. Mô hình đối tượng điều khiển tuốc bin hơi ..............................................43
Hình 3.5. Đáp ứng quá độ của đối tượng ..................................................................44
Hình 3.6. Mô hình đối tượng có bộ điều khiển PID .................................................45
Hình 3.7. Đáp ứng quá độ của hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID........................45
Hình 3.8. Mô hình đối tượng với bộ điều khiển phản hồi trạng thái ........................48
Hình 3.9. Đáp ứng của hệ thống dùng bộ điều khiển phản hồi trạng thái ................50

Hình 3.10. Đáp ứng của hệ thốngđiều khiển phản hồi trạng thái kết hợp sử dụng bộ
điều khiển I ...............................................................................................51

Học viên: Hoàng Văn Duyên


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

LỜI NÓI ĐẦU
Luận văn này nghiên cứu về hệ thống điều khiển và giám sát trong nhà máy
nhiệt điện Cà Mau 1. Mục đích của luận văn là đã phân tích được nguyên lý hoạt
động của nhà máy, so sánh, đánh giá ưu nhược điểm về công nghệ sử dụng của nhà
máy, phân tích và đánh giá phương án điều khiển của tổ máy tuốc bin hơi ST12,
trên cơ sở đó đưa ra được các đề xuất cải tiến, mở rộng và nâng cấp hệ thống điều
khiển và giám sát của nhà máy.
Tuy nhiên do thời gian, trình độ cũng như kinh nghiệm còn bị hạn chế, mặc
dù em đã cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót trong việc thực hiện
đề tài. Em rất mong được sự góp ý của các thầy cô cũng như các bạn.
Em chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình và những lời khuyên
quý báu của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Hoàng Minh Sơn để em hoàn thành tốt
hơn bản luận văn này.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô trong bộ môn Điều
khiển Tự động và thầy cô Viện Điện của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, các
thầy cô không những tận tình truyền đạt cho em những kiến thức chuyên môn quý
báu mà còn dạy cho em những bài học làm người, đó là những hành trang vô cùng
quan trọng và nó sẽ theo em suốt cuộc đời để em hoàn thiện bản thân mình hơn.
Hà Nội, ngày tháng năm 2012
Học viên thực hiện: HOÀNG VĂN DUYÊN

Lớp: CAO HỌC ĐKTĐ khóa 2010-2012

Học viên: Hoàng Văn Duyên

1


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

MỞ ĐẦU

1. Mục đích, ý nghĩa của đề tài
Trong lĩnh vực hệ thống điện ngày càng mở rộng phức tạp, nhu cầu về sản
lượng cũng như tính liên tục và độ tin cậy trong việc sản xuất, truyền tải và phân
phối năng lượng điện yêu cầu đảm bảo chất lượng cao, chi phí rẻ. Xu thế của ngành
điện hiện tại và tương lai là tạo ra những sản phẩm thông minh và có khả năng giao
tiếp thông tin với nhau để tự động hóa theo hướng tối ưu hóa công tác vận hành và
quản lý hệ thống từ cấp trạm cho đến cấp vùng, cấp khu vực và cấp quốc gia. Với
sự phát triển của công nghệ trong lĩnh vực tự động hóa thì điều khiển và giám sát là
một phần ứng dụng quan trọng trong các ngành sản xuất điện.
Luận văn này nghiên cứu về hệ thống điều khiển và giám sát trong nhà máy
nhiệt điện Cà Mau 1. Thông qua việc nghiên cứu, người thực hiện luận văn có thể
củng cố, đào sâu và áp dụng kiến thức có được vào trong nghề nghiệp giảng dạy
chuyên môn nghề điện - điều khiển tự động tại đơn vị đang công tác, nhằm có
những bài giảng trên lớp về hệ thống điều khiển và giám sát, điều khiển quá trình
cho sinh viên gắn liền với thực tế hơn để đáp ứng nhu cầu doanh nghiệp. Hơn nữa,
thông qua quá trình nghiên cứu, người thực hiện luận văn có thể nâng cao, mở rộng
kiến thức ngoài thực tế tại nhà máy sản xuất, giúp làm chủ được hệ thống như vận

hành, bảo trì thiết bị hệ thống…
Đề tài đặt ra hai mục đích nghiên cứu cụ thể như sau:
-

Làm rõ cấu trúc, chức năng và nguyên lý hoạt động của giải pháp hệ thống
điều khiển và giám sát toàn bộ nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1.

-

Phân tích làm rõ sách lược, phương thức điều khiển tuốc bin hơi của nhà
máy, trên cơ sở đó đưa ra đề xuất cải tiến.

Học viên: Hoàng Văn Duyên

2


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

2. Nhiệm vụ của đề tài
Để thực hiện mục tiêu nêu trên, đề tài đặt ra các nhiệm vụ như sau:
- Nghiên cứu các tài liệu thiết kế và tài liệu vận hành hệ thống điều khiển và
giám sát kết hợp khảo sát thực tế tại nhà máy nhiệt điện Cà mau 1.
- Phân tích các chức năng, cấu trúc và các công nghệ được áp dụng trong giải
pháp hệ thống điều khiển và giám sát của nhà máy, trên cơ sở đó đưa ra các nhận
xét, đánh giá các ưu nhược điểm của giải pháp đang áp dụng
- Đi sâu nghiên cứu bài toán điều khiển tua bin hơi nước nói chung và của
Nhà máy nói riêng, đưa ra các nhận xét, đánh giá, đề xuất cải tiến phương án điều

khiển, mô phỏng kiểm chứng trên Matlab.
- Đề xuất phương án nâng cấp hệ thống điều khiển và giám sát của nhà máy,

3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của người thực hiện luận văn là kết hợp nghiên cứu
tài liệu, khảo sát thực tế và sử dụng công cụ mô phỏng Matlab, cụ thể như sau:
- Thu thập, nghiên cứu các tài liệu về điều khiển tự động, tài liệu về hệ thống
điều khiển giám sát, hệ thống điều khiển phân tán của Siemens.
- Phỏng vấn, tham khảo các ý kiến đóng góp của những kỹ sư, công nhân vận
hành, bảo trì trong nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1.
- Khảo sát, nghiên cứu thực tế tại nhà máy, tham gia vào việc vận hành, bảo
trì hệ thống, dựa vào kết quả sản xuất của nhà máy, các bản vẽ thi công, lưu đồ
chức năng điều khiển quá trình công nghệ (P&ID) của hệ thống.
- Phân tích và mô phỏng kiểm chứng kết quả trên Matlab.

Học viên: Hoàng Văn Duyên

3


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

4. Cấu trúc của luận văn
Luận văn được bố cục thành bốn chương có nội dung như sau:
Chương 1: Giới thiệu công nghệ Nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1, lịch sử,
nhiệm vụ, sản lượng và quy trình sản xuất của Nhà máy nhiệt điện cà mau 1, qua đó
làm cơ sở phân tích cho chương 2.
Chương 2: Phân tích cấu trúc, các chức năng hệ thống điều khiển và giám sát

của nhà máy, cấu trúc vào ra và giải pháp thiết bị được sử dụng, cấu hình, các chức
năng điều khiển và giám sát, trên cơ sở đó đưa ra các nhận xét, đánh giá và một số
đề xuất cải tiến, mở rộng và nâng cấp hệ thống điều khiển và giám sát cho nhà máy.
Chương 3: Phân tích hệ thống điều khiển tuốc bin hơi ST12, sử dụng Matlab
để viết chương trình mô phỏng một tua bin hơi trên cơ sở một mô hình lý thuyết có
sẵn, đưa ra đề xuất cải tiến phương pháp điều khiển tua bin hơi.
Chương 4: Kết luận.

Học viên: Hoàng Văn Duyên

4


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN CÀ MAU 1

1.1 Tổng quan nhà máy
Nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1 được xây dựng trên địa bàn Xã khánh An –
Huyện Uminh – Tỉnh Cà Mau. Dự án Nhà máy điện Cà Mau gồm nhà máy nhiệt
điện Cà Mau 1 và nhà máy nhiệt điện Cà Mau 2 là dự án thành phần trong tổng thể
Dự án cụm Khí - Điện - Đạm Cà Mau được Thủ tướng Chính phủ giao cho Tập
đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam (pVN) làm chủ đầu tư nhằm sử dụng hiệu quả
nguồn khí thiên nhiên khai thác chung từ mỏ pM3 thuộc vùng biển chồng lấn Việt
Nam- Malaysia và các mỏ khí thuộc vùng biển Tây Nam.
Nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1 có công suất 750 MW khi đốt khí; 669,8 MW
khi đốt dầu DO. Số giờ sử dụng công suất đạt 6.500 giờ/năm đến 7.000 giờ/năm.

Lượng khí tiêu thụ hàng năm khoảng 900 triệu m³/năm/1 nhà máy, tương đương
khoảng 3,1 triệu m³/ngày. Để đáp ứng nhanh nhất nhu cầu điện cho quốc gia, chỉ
hơn một năm kể từ ngày khởi công, Nhà máy điện Cà Mau 1 đã bắt đầu hoà dòng
điện đầu tiên lên lưới điện quốc gia vào ngày 4/4/2007 và vận hành thương mại
ngày 20/3/2008. Nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1 vào vận hành đã góp phần đáp ứng
kịp thời sự thiếu hụt nguồn điện căng thẳng của cả nước trong mùa khô các năm
2007- 2009.
Trải qua hơn 2 năm tiếp nhận, quản lý vận hành và vượt qua nhiều khó khăn,
Tổng Công ty Điện lực Dầu khí Việt Nam, đặc biệt là Công ty Điện lực Dầu khí Cà
Mau - đơn vị trực tiếp vận hành nhà máy điện - tự hào đã hoàn toàn làm chủ Nhà
máy, bảo đảm vận hành hiệu quả. Ngày 8/1/2010, Công ty Điện lực Dầu khí Cà
Mau chính thức đã tổ chức lễ chào mừng 10 tỷ KWh.

Học viên: Hoàng Văn Duyên

5


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hình 1.1. Sơ đổ tổng quan nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1

1.2. Quy trình công nghệ của nhà máy
Chu trình nhà máy nhiệt điện hỗn hợp Cà Mau 1 là một chu trình ghép, gồm
chu trình Renkin hơi nước và chu trình Tuốc bin khí. Nguyên lý làm việc của chu
trình hỗn hợp như sau:
1. Máy nén khí 1 đưa không khí từ ngoài trời cấp ô xy cho buồng đốt tua bin
khí, máy nén khí được gắn liền trục với tua bin khí, khi tua bin khí làm việc ở chế

độ động cơ thì máy nén khí có tốc độ quay cùng với tốc độ của tuốc bin khí.

Học viên: Hoàng Văn Duyên

6


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

CHU TRÌNH HỖN HỢP

Trích hơi sang
khu nhà máy
P - Bar
T – 0C
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý chu trình hỗn hợp nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1
2. Tuốc bin khí 2 làm việc với 2 chế độ là (chế độ động cơ và chế độ máy
phát). Khi khởi động tuốc bin làm việc ở chế độ động cơ, lúc này hệ thống điều
khiển tần số tự động AFC (Automatic Frequency Control) đóng lại làm tăng tần số,
động cơ cũng tăng tốc độ từ 0 vòng/phút lên khoảng 837 vòng/phút (tốc độ này
được duy trì trong khoảng thời gian 5 phút) để làm sạch lò đốt. Sau 5 phút hệ thống
điều khiển tần số tự động giảm và động cơ cũng giảm theo xuống tốc độ khoảng

Học viên: Hoàng Văn Duyên

7

ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

456 vòng/phút (tốc độ đủ để cấp gió cho các đuốc mồi trong buồng đốt của tua bin
khí), đồng thời hệ thống đánh lửa của tuốc bin cũng hoạt động (dùng khí Propan để
mồi, cháy ở nhiệt độ thấp hơn so với gas).
Khi hệ thống propan mồi được đốt cháy thì hệ thống phun gas cũng hoạt động
ở nhóm vòi phun 43 (gồm 12 vòi), nhiên liệu phun tăng lên, tốc độ tua bin khí cũng
đồng thời tăng đến khoảng 2330 vòng/phút thì hệ thống điều khiển tần số tự động
cũng được ngắt ra và lúc này tua bin làm việc ở chế độ máy phát, tốc độ tua bin tăng
dần lên khoảng 2700 vòng/phút thì hệ thống kích từ hoạt động, khi tốc độ tua bin
tăng lên 3000 vòng/phút thì nhiên liệu trong buồng đốt luôn được điều chỉnh bởi
van điều khiển (control van) đủ điều kiện để hòa lưới điện với công suất định mức
150 KW, điện áp đầu ra là 15 kv qua máy cắt đầu cực hòa vào lưới điện. Sau khi
hoạt động lượng hơi nước thoát ra khỏi tuốc bin khí với sản phẩm cháy có nhiệt độ
còn cao được tận dụng đưa vào lò thu hồi nhiệt.
Nước từ bình ngưng 19 được 2 máy bơm trung áp 20 và máy bơm cao áp 21
bơm vào các bộ hâm cao áp và trung áp số 9, số 7, số 5 và số 3, đi qua các dàn ống
sinh hơi. Ở đây nước nhận nhiệt và biến thành hơi quá nhiệt, hơi quá nhiệt đi vào
tuốc bin hơi số 13, dãn nở đoạn nhiệt sinh công hòa vào lưới điện, khi ra khỏi tuốc
bin hơi phần hơi còn lại đi vào bình ngưng 17 nhả nhiệt đẳng áp, ngưng tụ thành
nước được bơm số 18 bơm trở về bể chứa, lặp lại chu trình cũ.
Nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1 là nhà máy sản xuất phối hợp điện năng và
nhiệt năng, nghĩa là cả điện năng và nhiệt năng đều được cung cấp bằng tuốc bin
ngưng hơi có 2 cửa trích như hình 2.3 (một cửa trích hơi cung cấp cho khu nhà của
nhà máy nhiệt điện, cửa còn lại trích hơi sang khu nhà máy đạm).

1.3. Chu trình nhà máy nhiệt điện ngưng hơi có 2 cửa trích
Để đảm bảo đồng thời được lượng điện là Nd và lượng nhiệt là Q cho hộ tiêu

thụ cần phải tiêu tốn một lượng hơi là Gph. Để tính toán lượng hơi tiêu hao trong

Học viên: Hoàng Văn Duyên

8


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

trường hợp này, ta giả sử tuốc bin làm việc như một tuốc bin ngưng hơi thuần túy,
nghĩa là lượng hơi trích Gn = 0. Khi đó muốn sản xuất ra lượng điện Nd thì cần phải
tiêu hao một lượng hơi là
(1–1)
Nếu trích đi một lượng hơi Gn cấp cho khu nhà sử dụng nhiệt, nghĩa là lượng
hơi Gn này không vào phần hạ áp, không tham gia sinh công để sản xuất điện năng
trong phần hạ áp vì vậy lượng điện sản xuất ra sẽ giảm đi một lượng là
(1–2)
Để bù lại lượng điện đã giảm đi, cần phải tăng thêm tua bin một lượng hơi có
thể sản xuất ra lượng điện đã bị thiếu ∆Nd là
(1- 3)

Thay ∆Nd từ phương trình (1- 3) vào phương trình (1-3 ) ta được
(1-4)

(1-5)

Hay:

Trong đó

được gọi là hệ số năng lượng của dòng hơi trích

Như vậy lượng hơi tiêu tốn trong quá trình sản xuất phối hợp điện năng và nhiệt
năng là :
Gph = Gd + ∆G

Học viên: Hoàng Văn Duyên

(1–6)

9


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Gph = Gd + yGn

(1–7)

Rõ ràng (in – ik) < (i0 – ik) do đó:
 
So sánh (1 – 6) với (1 – 7) và lưu ý (y < 1) ta thấy sản xuất phối hợp điện năng với
nhiệt năng tốn ít hơn sản xuất riêng rẽ một lượng là: 
∆Gtk = Gr – Gph = (Gd + Gn) – (Gd + yGn)
∆Gtk = (1- y)Gn

(1 - 8)

Lượng hơi đi vào bình ngưng khi sản xuất phối hợp là:
G’k = Gph – Gn = Gd + yGn – Gn = Gd – (1-y)Gn

(1 – 9)

Lượng hơi đi vào bình ngưng khi sản xuất phối hợp nhỏ hơn khi sản xuất riêng rẽ
một

lượng

là:

∆Gk

=

G’k

–

Gk

=

Gd

–

[Gd

–

(1

–

y)Gn]

(1 – 10)
∆Gk = (1 – y)Gn

(1 – 11)

Khi sản xuất phối hợp điện năng và nhiệt năng trong tua bin có cửa trích, nhờ giảm
được lượng hơi Gk vào bình ngưng nên giảm được tổn thất nhiệt do nhả nhiệt cho
nước làm mát trong bình ngưng.
Lượng nhiệt tiết kiệm được khi sản xuất điện tua bin trích hơi là:
∆Qd = Qng – Qtr = ∆Gk (ik – i'k)

(1 – 12)

Trong đó:
Lượng nhiệt tiêu hao cho tua bin trích hơi là: Qtr = Nd +Qktr

Học viên: Hoàng Văn Duyên

10

ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Lượng nhiệt tiêu hao cho tua bin ngưng hơi là: Qng = Nd +Qkng
Thay ∆Gk từ phương trình (1 – 9) vào phương trình (1 – 10) ta được
∆Qd = (1-y)Gn (ik – i'k)

(1 – 13)

P0 t0

P
G

P
GT

Hình 1.3. Sơ đồ thiết bị nhà máy nhiệt điện ngưng hơi 2 cửa trích làm việc
theo chu trình Renkin

1.4. Cấu hình công nghệ của hệ thống
Nhà máy nhiệt điện Cà Mau 2 sử dụng cấu hình đơn trục có ly hợp: Cấu hình
đơn trục có ly hợp là cấu hình gồm một tuốc bin khí, một tuốc bin hơi và một máy
phát điện được gắn trên cùng một trục, tại điểm giữa của tuốc bin hơi và máy phát
điện được kết nối với nhau bởi một khớp ly hợp (minh họa trên hình 1.4).

Học viên: Hoàng Văn Duyên

11


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hình 1.4. Sơ đồ cấu hình đơn trục có ly hợp
Bình ngưng

Máy phát

Khớp ly hợp
Tua bin hơi
Tua bin khí

Hình 1.5. Sơ đồ dàn trải cấu hình đơn trục có ly hợp
SO SÁNH VỚI CẤU HÌNH ĐA TRỤC
Để biết được những ưu điểm của cấu hình đơn trục ta xét thông số của các
bảng so sánh với cấu hình đa trục .

Học viên: Hoàng Văn Duyên

12


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

1. So sánh về đầu tư thiết bị 2 cấu hình
Cấu hình đơn trục

Cấu hình đa trục

Bình ngưng

- Tua bin khí: 2 x 240MW

- Tua bin khí: 2 x 240MW

- Tua bin hơi: 2 x 120MW

- Tua bin hơi: 1 x 240MW

- Máy phát: 2 x 360

- Máy phát: 3 x 240

- Li hợp:

- Li hợp:

2

0

- Máy biến áp chính: 2

- Máy biến áp chính: 3

- Bình ngưng: 2

- Bình ngưng: 1

Học viên: Hoàng Văn Duyên

13


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

2. So sánh về phần xây lắp của 2 cấu hình

Cấu hình đơn trục

Cấu hình đa trục

- Giảm kết cấu nhà tua bin hơi do
được kết hợp với khu nhà tua bin khí

- Tăng kết cấu thép nhà máy do phải
bố trí riêng một nhà tua bin hơi

- Giảm khối lượng phần móng máy
phát, máy biến áp

- Tăng khối lượng phần móng máy

phát, máy biến áp

- Tăng khối lượng xây dựng phần
móng tua bin hơi, bình ngưng

- Giảm khối lượng xây dựng phần
móng tua bin hơi, bình ngưng

- Đấu nối với lưới điện đơn giản hơn

- Đấu nối với lưới điện phức tạp hơn

- Giảm khối lượng phần xây lắp hệ
thống đường ông hơi từ lò thu hồi
nhiệt tới tua bin hơi

- Tăng khối lượng phần xây lắp hệ
thống đường ông hơi từ lò thu hồi
nhiệt tới tua bin hơi

3. So sánh về hiệu suất của 2 cấu hình
Hiệu suất khi đầy tải: Hiệu suất của 2 cấu hình khi đầy tải là tương đương nhau
Chỉ tiêu đánh giá

Cấu hình đơn trục

Cấu hình đa trục

Hiệu suất máy phát

Lớn hơn

Nhỏ hơn

Tổn thất áp suất

Nhỏ hơn

Lớn hơn

Hiệu suất tuốc bin hơi

Nhỏ hơn

Lớn hơn

Nhiệt độ hơi tái nhiệt

Nhỏ hơn

Lớn hơn

Học viên: Hoàng Văn Duyên

14


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Đơn trục
Đa trục

Hiệu suất khi non tải: Khi vận hành với chế độ nhỏ hơn 50%, cấu hình đơn
trục có lợi thế hơn về hiệu suất (khoảng 3,2%) do chỉ cần vận hành một tổ máy.
Hiệu suất tua bin hơi của cấu hình đơn trục lớn hơn do mang đầy tải hơn. Cấu
hình đa trục khi chạy với tải nhỏ hơn 50% thì nhu cầu về điện sử dụng cho các thiết
bị phụ là lớn hơn.
4. So sánh về quá trình vận hành
- Điều khiển chu trình Nước – Hơi: Hệ thống điều khiển nước – hơi của cấu
hình đơn trục đơn giản hơn vì chu trình nước – hơi là độc lập
- Biến đổi tải vận hành: Cấu hình đa trục có khả năng tăng tải nhanh hơn khi
tải vượt quá 50% (giả thiết khi tải nhỏ hơn 50% thì chỉ có một tua bin khí vận hành)
- Thời gian khởi động:Thời gian khởi động nóng của 2 cấu hình là như nhau
Thời gian khởi động nguôi của cấu hình đa trục ngắn hơn
- Khả năng khởi động đồng thời:
Các tổ máy của cấu hình đơn trục có thể khởi động đồng thời hoặc độc lập

Học viên: Hoàng Văn Duyên

15


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Các tua bin khí của cấu hình đa trục chỉ có thể khởi động đồng thời khi mỗi tua
bin khí được trang bị riêng một máy cắt, máy phát, máy biến áp phụ và máy biến

đổi tần số tĩnh.
5. So sánh về chi phí xây dựng, giá thiết bị: Chi phí khi xây dựng nhà máy
nhiệt điện chu trình hỗn hợp cấu hình đơn trục thấp hơn chi phí xây dựng nhà máy
nhiệt điện chu trình hỗn hợp cấu hình đa trục khoảng từ 3% – 5%
6. So sánh về công việc sửa chữa, bảo dưỡng nhà máy:
Cấu hình đơn trục

Cấu hình đa trục

Khi bảo dưỡng hoặc sửa chữa các

Khi bảo dưỡng hoặc sửa chữa tuốc

phần của một tổ máy, các tổ máy

bin khí ta có thể sử dụng chu trình

còn lại có thể sử dụng độc lập.

hỗn hợp với tổ máy còn lại, công
suất của nhà máy bằng 50% công

Khi sửa chữa phần hơi của một tổ

suất định mức.

máy thì ta có thể sử dụng chu

Khi sửa chữa hoặc bảo dưỡng
phần hơi, ta có thể sử dụng chu

trình đơn với hai tuốc bin khí (với
điều kiện có ống khói rẽ nhánh)

Học viên: Hoàng Văn Duyên

16


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

CHƯƠNG 2
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT NHÀ MÁY
2.1. Mô hình phân cấp chức năng tự động hóa nhà máy
Hệ thống tự động hóa của Nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1 được phân thành 3
cấp là cấp chấp hành và cảm biến, cấp điều khiển và cấp điều khiển giám sát (Hình
2-1), trong đó cấp điều khiển và cấp điều khiển giám sát thuộc phạm vi của hệ
thống điều khiển và giám sát quá trình công nghệ.

Phòng điều khiển trung tâm, bao gồm các
trạm vận hành, giám bằng máy tính, màn
hình cảm ứng HMI

ĐIỀU KHIỂN

Hệ thống điều khiển
và giám sát

GIÁM SÁT

Các bộ điều khiển PLC S7-400, các mô
đun vào ra mở rộng, PID dùng để điều
khiển các tổ máy tuốc bin, khu xử lý
nước…
Đo lường các thông số như nhiệt độ,
áp suất, mức, đóng cắt và điều chỉnh
với các thiết bị chấp hành, chuyển
đổi tín hiệu

ĐIỀU KHIỂN

CHẤP HÀNH & CẢM BIẾN

Các thiết bị
trường

Quy trình công nghệ nhiệt điện chu
trình hỗn hợp

Hình 2.1. Mô hình phân cấp chức năng tự động hóa của Nhà máy điện
Cà mau 1

Học viên: Hoàng Văn Duyên

17


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

1. Cấp chấp hành và cảm biến: là cấp để giao tiếp giữa các quá trình công
nghệ với các cấp điều khiển ở phía trên. Cấp trường bao gồm các thiết bị cảm biến
để thu nhận thông tin về quá trình công nghệ biến đổi thành tín hiệu điện truyền lên
các cấp trên cũng như bao gồm các cơ cấu chấp hành để thực hiện các lệnh điều
khiển từ cấp trên đưa xuống. Trong nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1, các thiết bị cấp
trường được liên kết với nhau qua mạng truyền thông ProfileBus – DB là chuẩn
truyền thông của hãng Siemens. Yêu cầu chính của truyền thông này là tốc độ đáp
ứng phải nhanh chóng.
2. Cấp điều khiển: bao gồm các thiết bị điều khiển tự động PLC S7-400 của
Siemens (được tích hợp các thuật toán điều khiển PID) và các trạm thiết bị vào/ra
mở rộng ET200 được cài đặt các thông số, chương trình để điều khiển quá trình
công nghệ. Ở cấp này cũng không có sự tham gia của con người. Con người chỉ
khởi động, hay thay đổi chương trình trong thiết bị đã cài đặt khi cần thiết. Các
thiết bị ở cấp trường được kết nối với các thiết bị điều khiển PLC thông qua các
mô đun vào/ra.
3. Cấp điều khiển giám sát: là cấp điều khiển giám sát và vận hành các quá
trình công nghệ. Ở đây bao gồm các giao diện người - máy (HMI) để người vận
hành tại trung tâm điều khiển có thể theo dõi diễn biến, thông tin trạng thái các quá
trình công nghệ cũng như can thiệp vào hệ điều khiển khi cần thiết. Ở đây con
người là một phần của hệ thống, thực hiện nhiệm vụ giám sát, ghi nhận dữ liệu và
điều khiển chung của hệ thống điều khiển tự động công nghiệp SCADA.
Với ba cấp trên giải quyết các bài toán kỹ thuật: theo dõi chế độ hoạt động quá
trình công nghệ, chế độ vận hành thiết bị đúng đắn. Việc tự động hóa đảm bảo ổn
định các thông số quá trình, đạt được sự tối ưu về hiệu suất sử dụng các thiết bị
trong điều kiện cho trước. Ở mức này sử dụng các hệ thống cục bộ điều chỉnh thông
số quá trình, sử dụng một phần các thiết bị máy tính, các tín hiệu cảnh báo tự động,
các chế độ bảo vệ, khóa chế độ hoạt động và ghi nhận.

Học viên: Hoàng Văn Duyên

18


ĐHBK – HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

2.2. Cấu trúc và chức năng điều khiển
2.2.1 Cấu trúc điều khiển và giải pháp thiết bị
Hệ thống điều khiển và giám sát Nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1 được xây
dựng dựa trên kiến trúc giải pháp PLC-HMI với dòng sản phẩm PLC S7-400 và
phần mềm WinCC của Siemens. Cấu trúc hệ thống điều khiển được sử dụng ở đây
là cấu trúc phân tán như minh họa trên Hình 2-2.

BUS HỆ THỐNG (INDUSTRIAL ETHERNET)

...
PLC S7-400
BUS TRƯỜNG (PROFIBUS- DP)

Tuốc bin khí 1

Lò thu hồi nhiệt

Tuốc bin hơi 1

Tuốc bin khí 2

ET200

ET200

ET200

ET200

ET200

ET200

ET200

ET200

...

Hình 2.2. Cấu trúc điều khiển của hệ thống
Nhà máy nhiệt điện Cà Mau 1 là nhà máy có quy mô rộng lớn nên cấu trúc
và chức năng điều khiển của nhà máy được thiết kế theo cấu trúc phân cấp. Các mô
đun vào-ra mở rộng ET200M có nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu từ các cảm
biến tại mỗi tổ máy sau đó gửi về cho bộ điều khiển PLC S7-400, cũng như nhận dữ
liệu điều khiển từ PLC S7-400 để đưa xuống các thiết bị chấp hành. Bộ điều khiển

Học viên: Hoàng Văn Duyên

19