Nghiên cứu hệ thống điều khiển các thiết bị cấp nhiên liệu than nghiền vào vòi đốt của lò hơi ở nhà máy nhiệt điện

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẬU TRƯỜNG LÂM

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC
THIẾT BỊ CẤP NHIÊN LIỆU THAN NGHIỀN VÀO
VÒI ĐỐT CỦA LÒ HƠI Ở NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Mã số: 60.52.01.14

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng - Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. Lưu Đức Bình

Phản biện 1: PGS.TS. Lê Viết Ngưu
Phản biện 2: PGS. TS. Trần Xuân Tùy

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử họp tại Trường Đại học Bách Khoa
vào ngày 17 tháng 6 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

 Thư viện Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, ở Việt Nam có rất nhiều nhà máy nhiệt điện đốt than
sử dụng công nghệ điều khiển tương đối giống nhau, để sản xuất ra
điện năng. Với thị phần 35% tính tới ngày 31/5/2015 và dự kiến đến
năm 2030 là 45% nối với lưới điện quốc gia (theo thống kê của Cục
Điều Tiết Điện Lực- Bộ Công thương), nhà máy nhiệt điện cung cấp
điện cho các hoạt động đời sống xã hội, công nghiệp và đảm bảo an
ninh năng lượng cho quốc gia. Như các nhà máy nhiệt điện Phả Lại,
nhà máy nhiệt điện Hải Phòng, nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn1, nhà
máy nhiệt điện Vũng Ánh, nhà máy nhiệt điện Ninh Thuận, nhà máy
nhiệt điện Cà Mau.. Và nhiều nhà máy đang trong giai đoạn xây
dựng: nhà máy nhiệt điện Mông Dương, nhà máy nhiệt điện Thái
Bình, nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân, nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn 2,
nhà máy nhiệt điện Đông Hồi, nhà máy nhiệt điện Công Thanh….
Công nghệ sản xuất điện năng ở nhà máy nhiệt điện đốt than là
quá trình phức tạp đòi hỏi độ tin cậy và tính ổn định cao. Nên các nhà
máy phải có mức độ tự động hóa rất cao với hệ thống điều khiển
DCS mới nhất của các hãng nổi tiếng: Yokogawa, ABB, Siemens,
Honeywell.. Điều đó đòi hỏi những người kỹ sư vận hành, bảo trì,
bảo dưỡng phải có kiến thức chuyên môn cao để vận hành tốt nhà
máy và trong quá trình vận hành đưa ra các cải tiến kỹ thuật nâng cao
chất lượng làm việc của nhà máy.
Việc nghiên cứu hệ thống điều khiển lò hơi là một yêu cầu cần
thiết trong nhà máy nhiệt điện. Trong đó hệ thống điều khiển cấp
nhiên liệu than nghiền là một trong những khâu quan trọng của hệ

điều khiển lò hơi, đóng vai trò trong tối ưu hóa quá trình cháy lò,
tăng hiệu suất lò và giảm chi phí sản xuất.


2
Trong quá trình vận hành tại nhà máy hay xãy ra tắc than từ
phểu than xuống máy cấp than do than xấu, than có cục to gây dừng
máy nghiền, có thể gây dừng tổ máy, cần phải đưa ra giải pháp để
giải quyết vấn đề.
Để đáp ứng nhu cầu thực tiễn sản xuất, cải tiến kỹ thuật tại nhà
máy nhiệt điện, người nghiên cứu đề xuất đề tài “Nghiên cứu hệ
thống điều khiển các thiết bị cấp nhiên liệu than nghiền vào vòi đốt
của lò hơi ở nhà máy nhiệt điện”
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu hệ thống điều khiển các thiết bị cấp nhiên liệu
than nghiền vào vòi đốt của lò hơi ở nhà máy nhiệt điện phục vụ cho
quá trình khai thác vận hành và chuẩn đoán khắc phục sự cố, bảo trì
bảo dưỡng hệ thống.
- Xây dựng thuật toán điều khiển các thiết bị cấp nhiên liệu
than nghiền vào vòi đốt của lò hơi ở nhà máy nhiệt điện.
- Lập trình và mô phỏng với phần mềm trên máy tính
- Đưa ra giải pháp điều khiển xử lý vấn đề trong qua trình vận
hành hệ thống, than cấp vào bị ướt, hoặc kích thước than có những
cục than to, gây hiện tượng tắc than từ phểu than xuống máy cấp than
gây dừng (trip) máy nghiền do sự cố.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
- Các thiết bị hệ thống cấp nhiên liệu than nghiền vào vòi đốt
của lò hơi ở nhà máy nhiệt điện đốt than gồm có thiết bị đo, van, máy
cấp và máy nghiền.

- Hệ thống điều khiển DCS Centum VP Yokogawa.
- Các cấu trúc, thuật toán điều khiển. Than cấp cho lò hơi được
cấp phểu than đổ xuống máy cấp vào máy nghiền rồi được gió cấp 1


3
thổi vào vòi đốt của lò. Điều khiển nhiên liệu than nghiền vào vòi đốt
gồm những vòng điều khiển chính:
 Vòng điều khiển mức than trong thùng nghiền của máy
nghiền.
 Vòng điều khiển lưu lượng than nghiền đi vào vòi đốt của lò
hơi.
- Sự cố tắc than từ phểu than xuống máy cấp than gây dừng
máy nghiền do sự cố.
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu hệ thống điều khiển các thiết bị cấp nhiên liệu
than nghiền vào vòi đốt của lò hơi ở nhà máy nhiệt điện bao gồm:
- Giới thiệu về các thiết bị chấp hành thiết bị đo, van, máy
nghiền và máy cấp.
- Nghiên cứu về các lưu đồ P&ID và thuật toán điều khiển.
- Hệ thống điều khiển DCS Centum VP Yokogawa.
- Đưa ra giải pháp xử lý hiện tượng tắc than từ phểu than
xuống máy cấp than gây dừng máy nghiền.
4. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực
tế tại nhà máy nhiệt điện.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học
Đề tài nghiên cứu nguyên lý làm việc và cấu tạo các thiết bị
cấp than nghiền vào vòi đốt nhà máy nhiệt điện, lý thuyết về phần

mềm điều khiển DCS Centum VP Yokogawa, bộ điều khiển PID và
khả năng ứng dụng điều khiển DCS, bộ điều khiển PID cho điều
khiển hệ thống thiết bị cấp than nghiền vào vòi đốt nhà máy nhiệt
điện.


4
Ý nghĩa thực tiễn
- Đề tài sẽ đáp ứng nhu cầu thực tiễn sản xuất về vận hành,
chuẩn đoán và khắc phục sự cố trong vận hành và cải tiến hệ thống
tại nhà máy nhiệt điện.
- Đưa ra giải pháp xử lý hiện tượng tắc than từ phểu than
xuống máy cấp than gây dừng máy nghiền.
6. Cấu trúc luận văn
Đề tài được trình bày trong 4 chương, phần mở đầu và kết luận.
- Phần mở đầu: giới thiệu về lý do chọn đề tài, mục đích
nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên
cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài, cấu trúc của luận văn.
- Chương 1: giới thiệu chung về nhà máy nhiệt điện và cơ cấu
chấp hành.
- Chương 2: giới thiệu về lý thuyết điều khiển, bộ điều khiển
PID, lưu đồ P&ID, thuật toán điều khiển các vòng điều khiển trong
hệ thống điều khiển than nghiền.
- Chương 3: lập trình và mô phỏng hệ thống điều khiển
- Chương 4: trình bày sự cố tắc than từ máy cấp than xuống
máy nghiền và đưa ra giải pháp điều khiển khắc phục sự cố.
- Phần kết luận và triển vọng: trình bày kết quả mô phỏng, áp
dụng thực tế và hướng phát triển đề tài

5
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
1.1. Giới thiệu chung về nhà máy nhiệt điện
Hiện nay các nhà máy nhiệt điện hiện đại thường có hai tổ
máy, mỗi tổ máy gồm 1 lò hơi,1 tuabine, 1 máy phát với công suất
2x300 MW, 2x600 MW…
Than được vận chuyển theo đường biển, bốc dỡ ở cảng than
rồi đưa lên hệ thống vận chuyển than cấp vào máy nghiền, than
nghiền mịn sau máy nghiền được gió cấp 1 vận chuyển và thổi vào
các vòi đốt của buồng lửa, gió cấp 2 được quạt gió cấp 2 (FDF) thổi
vào buồng đốt cho quá trình cháy của lò. Sản phẩm cháy sinh nhiệt,
khói và tro xỉ.
Tro xỉ được làm nguội trong phễu tro lạnh, đông đặc thải ra
ngoài dưới dạng xỉ khô. Những hạt tro xỉ bị cuốn theo dòng khói đi
qua bộ khử bụi ESP bị tách ra và giữ lại, chỉ còn khói thải được xử lý
tại FGD và ra ngoài theo đường ống khói.
Nước cấp từ bộ hâm, được gia nhiệt rồi đưa vào bao hơi. Sau
đó nước sẽ đi xuống theo các ống xuống, qua ống góp dưới rồi đi lên
theo dàn ống sinh hơi nhận nhiệt, trong các dàn ống này nước nhận
nhiệt từ quá trình đốt trong buồng đốt biến thành hơi tạo thành hỗn
hợp nước và hơi, rồi lại trở về bao hơi. Ở đây, hơi được tách ra thành
hơi bão hoà. Phần nước còn lại chưa hóa hơi tiếp tục trở về dàn ống
xuống cùng với nước cấp tạo thành vòng tuần hoàn tự nhiên. Hơi bão
hòa được dẫn qua các bộ quá nhiệt thành hơi quá nhiệt, đảm bảo ở
nhiệt độ (538C), áp suất (16,67 MPa) vào tuabin cao áp để sinh công
lần thứ nhất. Sau đó lại được đưa vào bộ gia nhiệt rồi lại tiếp tục
được đưa vào tuabin trung áp (t = 538C, p = 40,11 MPa) để sinh

6
công lần thứ 2. Từ tuabin trung áp hơi được dẫn thẳng tới tuabin hạ
áp để sinh công lần cuối.
Hơi sau khi đã sinh công từ tuabin hạ áp sẽ được đưa xuống
bình ngưng để ngưng trở lại thành nước. Bình ngưng có hệ thống
nước làm mát tuần hoàn (CCCW), làm hơi được ngưng tụ. Sau đó
nước từ bình ngưng sẽ được hệ thống bơm ngưng, bơm tới các bình
gia nhiệt hạ áp LP1, LP2, LP3. Tại đây nước sẽ được làm nóng lên
bởi hơi trích ra từ tuabin hạ áp. Sau khi ra khỏi các bình gia nhiệt hạ
áp nước được đưa tới bình khử khí để khử hết các bọt khí có lẫn
trong nước. Qua hệ thống bơm cấp, nước được tiếp tục đưa tới các
bình gia nhiệt cao áp HP5, HP6, HP7 sẽ tiếp tục được nâng nhiệt độ
bởi hơi trích ra từ các tuabin cao áp rồi đưa tới bộ hâm.
Hơi bão hòa vào tuabin, làm quay turbine. Turbine làm quay
máy phát và được kích thích bởi dòng điện kích từ sẽ sản sinh ra
điện. Điện áp phát ra đầu cực máy phát điện sẽ được đưa vào biến áp
đưa lên mức điện áp thích hợp rồi đấu nối vào lưới điện quốc gia tại
trạm điện.
Nhà máy nhiệt điện thực hiện quá trình chuyển nhiệt năng từ
quá trình đốt nhiên liệu với môi trường truyền dẫn là hơi nước và
biến thành cơ năng tại turbine (quay turbine và máy phát). Cơ năng
biến thành năng lượng điện trong máy phát.
1.2. Hệ thống cấp than nghiền vào vòi đốt của lò hơi
Than là nguyên liệu sử dụng chính cho quá trình cháy trong lò
hơi nhà máy nhiệt điện chạy than. Than được nghiền trước khi thổi
vào buồng đốt và phải đảm bảo các tiêu chuẩn đặt ra để quá trình
cháy là tối ưu:
- Độ ẩm của than
- Tro chứa trong than

7
- Nhiệt trị của than
- Độ mịn của than
Một hệ thống than nghiền được minh họa trong hình 1.3. Đây là
hệ thống hiện nay được dùng rất phổ biến. Phụ thuộc vào loại máy
nghiền được sử dụng, mỗi máy nghiền sẽ cấp than cho một số vòi đốt
nhất định. Một hệ thống cấp nhiên liệu than nghiền gồm các phần tử sau:
- Máy cấp than (Coal feeder)
- Máy nghiền và bộ phân ly (Pulverizer and classifier)
- Gió cấp 1 vận chuyển than vào vòi đốt
Than thô được vận chuyển bằng tàu biển, được bốc dỡ bởi cẩu
trục (Ship unloading). Than được hệ thống băng tải (Coal conveyor
system) vận chuyển vào kho than. Than trong kho được đồng nhất
bởi máy đánh đống và phá đống, sau đó theo băng tải đưa vào bunker
của máy cấp than.
Máy cấp than cấp than vào thùng nghiền máy đảm bảo than
trong thùng nghiền luôn ở một mức cố định đặt trước. Than sẽ được
máy nghiền nghiền mịn trong thùng nghiền. Kích thước than đạt yêu
cầu cỡ vài µm. Than sau khi nghiền sẽ đi qua bộ phân ly của máy
nghiền đảm bảo đạt độ mịn yêu cầu trước khi đi vào vòi đốt. Quạt gió
cấp 1 PAF (Primary air fan) cung cấp gió cấp 1, đi theo 2 đường ống,
1 đường đi thẳng gọi là đường gió lạnh và 1 đường đi qua hệ thống
gia nhiệt (Airheater) gọi là đường gió nóng. Sau đó gió từ 2 đường
này sẽ đi chung vào một đường và đi vào máy nghiền. Than nghiền
mịn từ máy nghiền sẽ được gió vận chuyển tới vòi đốt của lò.
1.3. Thiết bị trường
Hệ thống điều khiển điều khiển nhiên liệu than nghiền vào vòi
đốt tương đối phức tạp, nhưng chúng dựa trên ba thành phần cơ bản
là thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết bị điều khiển. Chức năng của

8
mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng được thể hiện một
cách trực quan với sơ đồ hình
Sau đây giới thiệu về các thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết
bị điều khiển thường được sử dụng trong hệ thống điều khiển điều
khiển nhiên liệu than nghiền vào vòi đốt.
1.3.1. Thiết bị đo
Một thiết bị đo quá trình có nhiệm vụ cung cấp thông tin về diễn
biến của quá trình kỹ thuật và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn. Cấu
trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình được minh hoạ như trên hình
1.6. Thành phần cốt lỏi của thiết bị đo là cảm biến. Cảm biến (Sensor)
có chức năng biến đổi một đại lượng vật lý (nhiệt độ, áp suất, mức, lưu
lương…) sang tín hiệu điện hoặc khí nén. Tín hiệu từ cảm biến sẽ được
khuếch đại, chuyển đổi, lọc nhiểu và điều chỉnh dải, bù sai lệch và
tuyến tính hóa bởi bộ chuyển đổ chuẩn đo chuẩn (Transmitter). Đầu ra
của bộ transmitter thường là tín hiệu điện 4-20mA.
1.3.2. Tấm chắn (Damper)
Để điều khiển lưu lượng gió cấp vào máy nghiền người ta sẽ
dùng cơ cấu điều khiển tấm chắn có gồm các thành phần tấm chắn và
bộ điều khiên tấm chắn. bộ điều khiển tấm chắn gồm một bộ điều
khiển vị trí (Positioner) như bộ điều khiển sipart của Siemens, TZID
của ABB, DVC6200 của Fisher… các cơ cấu điều khiển khí nén thủy
lực xi lanh-piston hoặc động cơ Auma. Độ mở của tấm chắn tỉ lệ với
tín hiệu đặt xuống bộ điều khiển với tín hiệu điều khiển 4-20 mA.
1.3.3. Máy cấp than
Nguyên lý: Động cơ dẫn động máy cấp than nguyên có thể
thay đổi tốc độ bằng bộ biến tần và điều chỉnh tải theo sự thay đổi
mức than của máy nghiền. khi yêu cầu tải tăng lên thì tốc độ máy cấp

9
phải điều chỉnh tăng lên để đáp ứng lượng than yêu cầu. Có 2 loại
máy cấp than, máy cấp than thể tích và máy cấp than trọng lượng.
Hiện nay các nhà máy nhiệt điện đều sử dụng loại máy cấp
than trọng lượng của các hãng như Stock Equipment Company,
Schench process, Siemens…
1.3.4. Máy nghiền
Máy nghiền có nhiệm vụ nghiền than thô từ máy cấp đưa
xuống thành than bột với kích thước nhỏ rồi đưa vào vòi đốt. Có ba
loại máy nghiền sử dụng trong nhà máy nhiệt điện:
- Máy nghiền dạng tiêu hao (Attrition mill) (máy nghiền tốc độ cao)
- Máy nghiền thẵng đứng (Vertical spindle mill) (máy nghiền
tốc độ trung bình)
- Máy nghiền bi (Ball mill) (máy nghiền tốc độ thấp)
Bộ phận phân ly: Than sau khi được nghiền trong máy nghiền
được hỗn hợp gió nóng và lạnh vận chuyển ra khỏi máy nghiền tới bộ
phân ly. Bộ phân ly sẽ loại bỏ than có kích thước lớn ra khỏi than
mịn trước khi cấp vào vòi đốt. Than có kích thước lớn sẽ quay trở về
máy nghiền để nghiền lại. Bộ phân ly làm việc theo kiểu ly tâm sẽ
đập vào các màng lọc gồm các lỗ nhỏ, các hạt than lớn bị giữ lại, rơi
xuống lại máy nghiền và các hạt than nhỏ sẽ được đi qua. Có hai loại
phân ly: Phân ly động và phân ly tĩnh


10
CHƯƠNG 2
CẤU TRÚC VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
2.1. Cơ sở lý thuyết

2.1.1. Bộ điều khiển PID
PID (Proportional-Integral-Derivative) là bộ điều khiển bao
gồm khâu khuyếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D).
- Thuật toán PID được biểu diễn trên miền thời gian như sau:
t

u (t )  K p e(t )  K i  e(t )dt  K d
0

de(t )
dt

2.1.2. Chọn bộ điều khiển PID
Nếu như quá trình có đặc tính của một khâu bậc hai và hằng số
thời gian của một khâu tương đối nhỏ. Một trường hợp tiêu biểu là
bài toán điều khiển nhiệt độ với một hàng số thời gian của quá trình
truyền nhiệt và một hằng số thời gian của cảm biến. Thành phần D
đặc biệt có tác dụng khi hai hằng số thời gian khác nhau nhiều. Lưu ý
rằng tác động vi phân rất nhạy cảm với nhiễu đo, vì thế nên hạn chế
sử dụng nếu không có biện pháp lọc nhiễu thích hợp. Đối với các bài
toán điều khiển quá trình thông dụng, ta có thể lựa chọn kiểu bộ điều
khiển phù hợp.
2.1.3. Chỉnh định bộ điều khiển PID
Có rất nhiều phương pháp chỉnh định (Tunning) hệ số K p , K i ,

K d của bộ PID. Các phương pháp tunning thường dùng sau đây:
- Phương pháp sử dụng các công cụ của phần mềm
- Phương pháp Ziegler-Nichols
 Ziegler-Nichols 1 (ZN-1)
 Ziegler-Nichols 2 (ZN-2)

11
2.2. Vòng điều khiển lưu lượng than nghiền vào vòi đốt của lò hơi
Điều khiển nhiên liệu than nghiền vào buồng đốt là một trong
những vòng điều khiển quan trọng bậc nhất của lò hơi, nó sẽ đảm bảo
cân bằng giữa năng lượng đầu vào và đầu ra. Công suất phát điện của
của tổ máy tỉ lệ với lưu lượng và áp suất hơi quá nhiệt đưa vào
turbine. Điều khiển công suất của tổ máy chính là điều khiển lưu
lượng và áp suất hơi vào turbine. Lưu lượng hơi quá nhiệt vào turbine
có thể được đo khá chính xác tại đầu vào turbine hoặc tầng cánh thứ
nhất của turbine. Sản lượng hơi sinh ra phụ thuộc vào nhiệt năng
cung cấp cho nước. Nhiệt năng cung cấp cho nước càng lớn thì lương
hơi sinh ra càng nhiều và ngược lại. Do vậy sản lượng hơi sinh ra phụ
thuộc vào quá trình cháy của lò hơi, tức là phụ thuộc vào lượng nhiên
liệu, gió đưa vào lò cho quá trình cháy và lượng nước cấp từ bơm cấp
lên bao hơi. Mặt khác lưu lượng hơi là đại lượng có quan hệ chặt chẽ
với áp suất hơi, mỗi thay đổi của lưu lượng hơi đều dẫn tới sự thay
đổi của áp suất hơi. Khi có sự thay đổi về lưu lượng hơi đáp ứng yêu
cầu tải thì yêu cầu đặt ra với hệ thống điều khiển là phải giữ cho áp
suất hơi không đổi.
Như vậy lưu lượng hơi và các thông số như lưu lượng nhiên
liệu, lưu lượng nước cấp vào bao hơi, lưu lượng gió có mối quan hệ
chặt chẽ với nhau, tác động qua lại với nhau. Để điều chỉnh lưu lượng
hơi thì phải điều chỉnh các thông số trên.
Giá trị đặt cho tổng lưu lượng nhiên liệu là tổng năng lượng
điện yêu cầu MW được tính toán quy đổi trong vòng điều khiển
Boiler Master bằng tổng lượng nhiệt yêu cầu. Thông thường, một tổ
máy của nhà máy nhiệt điện có 4 máy nghiền, mỗi máy nghiền có 2
máy cấp than cho máy nghiền. Yêu cầu tải đặt xuống vòng điều khiển

Boiler Master, từ vòng điều khiển Boiler Master sẽ tính toán lưu


12
lượng nhiên liệu cần cấp vào lò, và sẽ đặt yêu cầu xuống vòng điều
khiển Coal Master (xem hình 2.5).
Với mỗi lò hơi cụ thể thì có những thuật toán điều khiển riêng
để điều khiển nhiên liệu than nghiền. Đối với loại máy nghiền bi sử
dụng quạt gió trước máy nghiền để vận chuyển than như hệ thống
điều khiển loại máy nghiền của hang Foster Wheeler. Các máy
nghiền bi của tổ máy sẽ được điều khiển độc lập từ Coal Master.
Điều khiển lưu lượng than từ một máy nghiền đi vào vòi đốt bằng
cách điều khiển lưu lượng gió cấp 1 đi vào máy nghiền từ quạt gió cấp 1
PAF, gió cấp 1 này có chức năng vận chuyển than vào lò. Lưu lượng
than đưa vào lò sẽ tương ứng với lưu lượng gió cấp 1. Lượng than đầu ra
của máy nghiền phụ thuộc vào các yêu tố cơ bản sau:
- Tốc độ cấp than nguyên để đảm bảo mức than yêu cầu trong
thùng nghiền của máy nghiền
- Lưu lượng gió cấp 1 thổi vào máy nghiền.
Khi yêu cầu tải MW (công suất tổ máy) thay đổi, thì lưu lượng
nhiên liệu đưa vào lò cũng thay đổi dẫn tới lưu lượng gió cấp 1 đi vào
máy nghiền được điều khiển bởi tấm chắn điều khiển lưu lượng cũng
thay đổi. Lưu lượng than đi ra khỏi thùng nghiền thay đổi, dẫn tới
mức than ở máy nghiền thay đổi, bắt buộc tốc độ máy cấp than thay
đổi để đảm bảo mức than trong thùng nghiền sẽ được duy trì một
mức không đổi. Với một mức than trong thùng nghiền thì lưu lượng
than đi ra máy nghiền sẽ tỉ lệ với lưu lượng gió cấp 1 thổi vào máy
nghiền. Tóm lại để điều khiển nhiên liệu than nghiền vào vòi đốt của
lò hơi, cần điều khiển:
- Điều khiển mức than trong thùng nghiền của máy nghiền

- Điều khiển lưu lượng gió cấp 1 đi vào máy nghiền.


13
2.2.1. Lưu đồ P&ID cho điều khiển lưu lượng than nghiền
vào vòi đốt của lò hơi
Gió cấp 1 từ quạt gió cấp 1 (PAF), được gia nhiệt đến nhiệt độ
thích hợp thổi vào máy nghiền để vận chuyển than vào vòi đốt. Để
đo lưu lượng gió cấp 1, người ta dùng 2 thiết bị đo lưu lượng loại
chênh áp và một thiết bị đo nhiệt độ có thể là loại RTD hoặc cặp
nhiệt. Tín hiệu quá trình đo được đưa vào hàm PID tính toán đưa ra
điều khiển tấm chắn.
2.2.2. Thuật toán điều khiển lưu lượng than nghiền vào vòi
đốt của lò hơi
Để điều khiển lưu lượng than nghiền đi vào vòi đốt người ta
dùng bộ điều khiển PID. Coal Master sẽ đưa ra giá trị đặt yêu cầu SV
(Setpoint demand) điều khiển lưu lượng than cấp vào lò hơi theo từng
máy nghiền riêng lẽ bằng cách điều khiển tấm chắn điều khiển lưu
lượng gió cấp 1 đi vào máy nghiền. Tín hiệu lưu lượng than đi vào
vòi đốt được tính toán từ tín hiệu đo được bởi hai bộ đo lưu lượng
theo phương pháp chênh áp có bù tín hiệu nhiệt độ được đo từ bộ đo
nhiệt độ được phản hồi về hệ thống điều khiển (giá trị phản hồi PV).
Bộ đo lưu lượng và nhiệt độ được lắp đặt tại vị trí trước tấm chắn
điều khiển lưu lượng. Lưu lượng nhiên liệu với một mức than trong
thùng nghiền cố định sẽ tỉ lệ với độ mở của van điều khiển lưu lượng
gió cấp 1, được xác định theo hàm f(x)2 và f(x)3 bằng thực nghiệm.
Xem hình 2.7.
2.3. Vòng điều khiển mức than trong thùng nghiền của máy nghiền
Yêu cầu công nghệ của quá trình điều khiển mức máy
nghiền là duy trì mức than trong thùng nghiền của máy nghiền

một giá trị cố định.


14
2.3.1. Lưu đồ P&ID cho điều khiển mức than trong thùng
nghiền của máy nghiền
Bốn tín hiệu đo mức từ bốn thiết bị đo mức loại chênh áp phản
hồi mức than nghiền trong thùng nghiền về hệ thống điều khiển.
Than nguyên được cấp vào mỗi bộ phân ly bởi các máy cấp than
(FDR). Có 2 máy cấp than cho mỗi máy nghiền. Đầu ra máy nghiền
là than mịn được gió cấp 2 vận chuyển vào vòi đốt.
2.3.2. Thuật toán điều khiển mức than trong thùng nghiền
của máy nghiền
Mục đích của điều khiển mức máy nghiền là duy trì mức than
nghiền trong thùng máy nghiền với một giá trị được đặt trước cố định
(giá trị SP, tùy thuộc vào từng loại máy nghiền). Giá trị này được duy
trì tại tất cả các điểm với mọi mức tải trừ những trường hợp sự cố
thoáng qua và độc lập với đầu ra của máy nghiền.
Than nguyên được cấp vào mỗi bộ phân ly bởi các máy cấp
than (raw fuel feeder). Có 2 máy cấp than cho mỗi máy nghiền. Máy
cấp than điều khiển tốc độ cấp than tương ứng với tín hiệu từ vòng
điều khiển mức máy nghiền. Sử dụng bộ điều khiểu PI để điều khiển
mức than trong thùng nghiền. Đầu vào bộ PI là tín hiệu mức than
trong thùng nghiền được đo từ 4 bộ đo mức theo phương pháp chênh
áp. Các bộ đo này sẽ đưa về giá trị chênh áp. Lấy trung bình của 2 bộ
đo mức thấp và 2 bộ đo mức cao ta được 2 giá trị trung bình mức
thấp và mức cao. Giá trị chênh áp của mức than trung bình này tỉ lệ
với mức than trong máy nghiền và được xác định theo hàm f(x)1 và
f(x)2 bằng thực nghiệm. Người vận hành chọn giá trị trung bình mức
thấp hoặc giá trị trung bình mức cao. Đầu ra MV của bộ PI đồng thời

2 máy cấp than đảm bảo mức của máy nghiền duy trì ở cố định. Xem
hình 2.9.


15
CHƯƠNG 3
LẬP TRÌNH VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC
THIẾT BỊ CẤP THAN NGHIỀN
3.1. Giới thiệu về phần mềm DCS Centum VP của hãng Yokogawa
Hệ thống điều khiển phân tán DCS là một giải pháp tổng thể
về phần cứng gồm các máy tính kỹ thuật, máy tính vận hành và các
bộ điều khiển lập trình được FCS và phần mềm System view dùng
cấu hình phần cứng, tạo biến, lập trình và tạo giao diện đồ họa vận
hành và giám sát. Thế mạnh của hệ thống DCS là khả năng xử lý các
tín hiệu tương tự và thực hiện các chuỗi quá trình điều khiển phức
tạp, khả năng tích hợp dễ dàng với độ tin cậy cao. Nhờ cấu trúc phần
cứng và phần mềm, hệ thống điều khiển có thể thực hiện đồng thời
nhiều vòng điều chỉnh, điều khiển tầng, hay theo các thuật toán điều
khiển hiện đại như nhận dạng hệ thống, điều khiển thích nghi, điều
khiển tối ưu, điều khiển theo mô hình dự báo, điều khiển mờ…
3.2. Mô phỏng hệ thống điều khiển các thiết bị cấp than nghiền
Để mô phỏng hệ thống điều khiển các thiết bị cấp than nghiền,
ta sử dụng phần mềm DCS Centum VP của hãng Yokogawa lập trình
chương trình điều khiển các thiết bị và tạo giao diện đồ họa giám sát
trạng thái thiết bị và thông số quá trình đồng thời vận hành thiết bị.
Với nhà máy nhiệt điện đốt than có 2 tổ máy, một tổ máy gồm một lò
hơi và một turbine công suất 300 MW. Hệ thống nghiền than cho mỗi
tổ máy bao gồm 4 máy nghiền A,B,C,D loại thùng nghiền bi 2 đầu.
Một máy nghiền có 2 bộ phân ly than thô, 2 máy cấp than nguyên, 1
phểu chứa than nguyên, hệ thống gió cấp 1 và các đường ống vận

chuyển than bột cấp cho 24 cụm vòi đốt.
Thực hiện mô phỏng hệ thống điều khiển than nghiền vào vòi


16
đốt của lò hơi của máy nghiền A. Các hệ thống máy nghiền B,C,D
hoàn toàn tương tự. Mô phỏng hệ thống điều khiển than nghiền vào
vòi đốt của lò hơi của máy nghiền A bao từ màn hình điều khiển có
thể thực hiện được các nhiệm vụ:
- Giám sát tất cả các trạng thái của thiết bị và các thông số của
quá trình.
- Khởi động và dừng thiết bị theo chương trình đã được lập
trình.
- Mô phỏng các tín hiệu bảo vệ thiết bị và chuẩn đoán lỗi.
- Tăng tải và giảm tải hệ thống ở chế độ tự động.
- Mô phỏng hệ thống khi xãy ra tắc than gây dừng sự cố hệ
thống.
- Mô phỏng hệ thống khi xãy ra tắc than sau khi đã áp dụng
các biện pháp xử lý hiện tượng tắc than.
Để mô phỏng hệ thống điều khiển các thiết bị cấp than nghiên
cần thực hiện:
- Xây dựng một cấu hình hệ thống điều khiển gồm các bộ điều
khiển FCS và máy tính vận hành HIS.
- Lập trình chương trình điều khiển các thiết bị trường như
van, động cơ, tấm chắn…
- Lập trình các chương trình giả lập các tín hiệu phản hồi về
của thiết bị trường.
- Lập trình chương trình mô phỏng quá trình tắc than.
- Lập trình chương trình mô phỏng quá trình sau khi áp dụng
các biện pháp xử lý tắc than.

- Tạo Graphic để vận hành và giám sát các thiết bị trường của
hệ thống theo chương trình đã lập trình.
Chương trình mô phỏng sẽ cho ta một cái nhìn trực quan về


17
các quá trình vận hành, sự cố tắc than, biện pháp xử lý sự cố tắc than
và hiển thị kết quả của các quá trình đó của hệ thống điều khiển than
nghiền vào vòi đốt của lò hơi của máy nghiền. Chương trình mô
phỏng gần chính xác với thực tế, do đó sẽ kiểm chứng được tính hiệu
quả của biện pháp xử lý sự cố. Từ những kết quả thu được từ quá
trình mô phỏng sẽ đưa vào áp dụng trong thực tế.
Tạo mô phỏng với phần mềm Centum VP. Xem hình 3.2.
Tạo graphic giám sát và vận hành. Xem hình 3.3.
Giám sát lỗi dừng máy nghiền do sự cố. Xem hình 3.4.
Chương trình điều khiển các thiết bị của hệ thống viết
trong phần mềm System View
Chương trình được trình bày trong phần phụ lục của luận văn
Mô phỏng vận hành hệ thống
Thực hiện tất cả các mô phỏng theo các nhiệm vụ:
Mô phỏng khởi động, dừng thiết bị, các thiết bị bảo vệ và
chuẩn đoán lỗi.
Mô phỏng hệ thống khi giảm lưu lượng than yêu cầu từ
Coal Master từ 13.32 kg/s xuống 0 kg/s.
Mô phỏng hệ thống khi tăng lưu lượng than yêu cầu từ
Coal Master từ 0 kg/s xuống 13.32 kg/s.


18
CHƯƠNG 4

GIẢI PHÁP XỬ LÝ HIỆN TƯỢNG TẮC THAN TỪ PHỂU
THAN XUỐNG MÁY CẤP THAN GÂY DỪNG MÁY NGHIỀN
4.1. Vấn đề tắc than và ảnh hưởng tới sự làm việc của tổ máy
Trong quá trình vận hành nhà máy, than cấp vào máy cấp có
chất lượng xấu như than ướt, than có từng cục than to dẫn đến gây
tắc than từ phểu than xuống máy cấp than (xem hình 3.1). Khi bị
tắc, vòng điều khiển mức than trong thùng nghiền của máy nghiền
không duy trì được mức than yêu cầu và bị dao động mất ổn định.
Do lưu lượng than đi vào buồng đốt tỉ lệ thuận với độ mở tấm chắn
điều khiển lưu lượng than với một mức than trong thùng nghiền cố
định, nên khi tắc than thì lượng than cấp vào máy nghiền không đủ,
mức than trong thùng nghiền sẽ nhỏ hơn giá trị đặt 178 mm. Do đó
cùng một độ mở tấm chắn điều khiển lưu lượng than nghiền nhưng
lưu lượng than đi vào lò thực sự là nhỏ hơn gây ra hiện tượng lượng
than vào vòi đốt không đủ. Lượng nhiệt sinh ra do quá trình đốt
than sẽ ít đi, Vòng điều khiển Unit master yêu cầu vòng điều khiển
Boiler Master tăng tải để đảm bảo công suất của tổ máy, vòng điều
khiển Boiler Master sẽ yêu cầu vòng điều khiển Coal master tăng
lượng than cấp vào lò. Coal master sẽ yêu cầu các máy nghiền tăng
độ mở tấm chắn điều khiển lưu lượng than nghiền dẫn tới mức than
trong máy nghiền sẽ thấp hơn nhưng do than đang bị tắc nên máy
cấp than cấp xuống máy nghiền không đúng như yêu cầu. Gây ra
hiện tượng lượng than đi cấp cho vòi đốt không đủ, làm tắt vòi đốt
và dừng đột ngột (Trip) máy nghiền. Khi máy nghiền dừng thì sẽ
xãy ra giảm tải tổ máy trong trường hợp một máy nghiền dừng làm
việc, dẫn tới công suất điện phát ra sẽ giảm. Trong một số trường


19
hợp nghiêm trọng có thể dẫn đến dừng cả tổ máy. Việc giảm tải hay

dừng cả tổ máy sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến kế hoạch phát điện
đã được lập ra do trung tâm điều độ lưới điện quốc gia A0 và A1,
ảnh hưởng đến khả năng cung cấp điện của lưới điện quốc gia. Đối
với nhà máy sản xuất điện tính chất làm việc ổn định là cực kỳ quan
trọng vì nó ảnh hưởng tới sự ổn định của lưới điện quốc gia. Do đó,
giải quyết vấn đề tắc than rất cấp thiết để duy trì sự làm việc ổn
định của tổ máy.
Khi sự cố tắc than xãy ra thì dẫn tới ngừng dừng máy
nghiền. Tại thiết bị trường có trang bị súng canon chống tắc than
nhưng vẫn không giải quyết được vấn đề (xem hình 4.1). Khi máy
nghiền dừng thì người công nhân phải trực tiếp xuống hiện trường
loại bỏ than bị tắc. Khi tắc than gây dừng máy nghiền thì các ảnh
hưởng của nó gây ra cho tổ máy xảy ra nhanh người vận hành sẽ
không thể xử lý được gây ra dừng máy nghiền. Dùng các giải pháp
cơ khí để loại bỏ hiện tượng tắc than thì chỉ có thể sử dụng khi mà
máy cấp đã dừng. Do đó cần phải đưa ra một giải pháp điều khiển
xử lý sự cố đưa máy cấp bị tắc không làm việc nữa một cách chủ
động và tránh trường hợp dừng máy nghiền đột ngột, gây ra giảm
tải, có thể dừng tổ máy.
4.2. Giải pháp giải quyết vấn đề tắc than ở máy cấp gây dừng đột
ngột máy nghiền
Với nhà máy nhiệt điện đốt than có 2 tổ máy, một tổ máy
gồm một lò hơi và một turbine công suất 300 MW. Nhiên liệu
chính sử dụng cho nhà máy là than anthracite. Hệ thống nghiền
than cho mỗi tổ máy bao gồm 4 máy nghiền A,B,C,D loại thùng
nghiền bi 2 đầu. Một máy nghiền có 2 bộ phân ly than thô, 2 máy
cấp than nguyên, 1 phểu chứa than nguyên, hệ thống gió cấp 1 và


20

các đường ống vận chuyển than bột cấp cho 6 cụm vòi đốt. 4 máy
nghiền sẽ cấp than cho 24 cụm vòi đốt. Khi vận hành bình thường
công suất 300 MW, 4 máy nghiền sẽ làm việc nhưng nếu 1 máy
nghiền bị sự cố thì 3 máy nghiền vẫn đạt được công suất định mức
của lò hơi (BMCR).
Một số thông số cơ bản của lò hơi tại công suất định mức
(BMCR):
- Lưu lượng hơi quá nhiệt: 266.67 kg/s
- Áp lực bao hơi: 185.85 bar
- Nhiệt độ hơi quá nhiệt: 541oC
- Hiệu suất lò: 85.88 %
- Nhiên liệu than: 39,96 kg/s
Thông số máy nghiền than:
- Loại máy nghiền: D12D Foster Wheeler
- Động cơ: 1494 kW
- Điện áp: 6,6kV – 50Hz
- Công suất của máy nghiền: 13,32 kg/s đối với loại than
anthracite
- Nhiệt độ đầu ra của than 104 oC
Thông số máy cấp than:
- Loại máy cấp: Gravimetric feeder 196NT của hãng Stock
- Công suất thiết kế: 7,875 kg/s
Khi vận hành bình thường, xãy ra tắc than ở một máy cấp của
máy nghiền nào đó, giả sử máy cấp A1 cấp than cho máy nghiền A bị
tắc. Mỗi máy cấp chỉ có công suất 7,875 kg/s, lưu lượng than đi ra
khỏi máy nghiền 13,32 kg/s nên khi máy cấp than A1 bị tắc thì cho
dù vòng điều khiển mức than máy nghiền có tăng yêu cầu đầu ra MV
thì lượng than cấp xuống máy nghiền A không đáp ứng được yêu cầu

21
để ổn định mức thùng nghiền.
Mức than trong thùng nghiền của máy nghiền không duy trì
được mức than được đặt và bị dao động mất ổn định. Kéo theo lưu
lượng than đi vào buồng đốt không tỉ lệ với độ mở tấm chắn điều
khiển lưu lượng than, gây ra lượng than vào vòi đốt không đủ, gây
tắt vòi đốt và dừng đột ngột (Trip) máy nghiền. Để tránh sự cố
này, bằng cách áp dụng giải pháp điều khiển là khi xãy ra hiện
tượng tắc than, vòng điều khiển lưu lượng than nghiền của máy
nghiền A sẽ giảm xuống để máy cấp than A1 và A2 có thể đáp
ứng được và không gây tắt các vòi đốt, đồng thời máy cấp than bị
tắc chuyển sang chế độ làm việc bằng tay (MAN) và tự động đặt
tải giảm xuống giá trị nhỏ nhất có thể mà máy cấp có thể đáp ứng
được. Bởi vì tổ máy vận hành bình thường tổng công suất cấp than
từ các máy nghiền than cấp vào lò luôn luôn cao hơn so với nhu
cầu than của lò (ví dụ vận hành ở tải 300MW thì sẽ chạy 4 máy
nghiền với tổng công suất có thể cấp vào lò là 53,28 kg/s, trong
khi đó lò chỉ yêu cầu 39,96 kg/s). Nên khi giảm tải ở máy nghiền
A thì tín hiệu tổng số lưu lượng than vào lò sẽ giảm và vòng điều
khiển Coal Master (Xem hình) sẽ điều khiển tăng đầu ra MV yêu
cầu tải tới các máy nghiền và các máy nghiền còn lại sẽ tăng tải bù
lại lượng than mà máy nghiền A giảm. Tóm lại, giải pháp xử lý
hiện tượng tăc than từ phểu than xuống máy cấp than gây dừng đột
ngột máy nghiền cần phải:
- Xác định được hiện tượng bị tắc than.
- Giảm lưu lượng than nghiền của máy nghiền A đi vào vòi đốt
lò hơi khi tắc than từ phểu xuống máy cấp.
- Đưa máy cấp bị tắc than về chế độ điều khiển bằng tay (Chế
độ MAN) và tự động đặt tải máy cấp than về giá trị nhỏ nhất có mà

22
máy cấp than có thể đáp ứng được.
4.2.1. Thuật toán giải pháp điều khiển xử lý sự cố tắc than.
Thuật toán xác định tắc than ở máy cấp
Để xác định được có bị tắc than ở máy cấp than, ta lấy giá trị
tốc độ cấp than yêu cầu đến máy cấp trừ tốc độ cấp than phản hồi về
từ máy cấp nếu lớn hơn 30% công suất thì máy cấp đó bị tắc than.
Xem hình 4.4, Xem hình 4.5.
Thuật toán giảm lưu lượng than nghiền của máy nghiền A
đi vào vòi đốt của lò khi tắc than từ phểu xuống máy cấp. Xem
hình 4.6.
Thuật toán điều khiển mức than thùng nghiền. Xem hình
4.7.
4.2.2. Mô phỏng chương trình xử lý sự cố tắc than
Chương trình lập trình xử lý sự cố tắc than được viết trong
phần mềm System View:
Chương trình lập trình xử lý sự cố tắc than được viết trong
phần mềm System View được trình bày trong phần phụ lục của
luận văn.
Thực hiện mô phỏng các nhiệm vụ:
Mô phỏng quá trinh tắc than gây dừng đột ngột máy
nghiền
Mô phỏng khi lưu lượng than nghiền ở 13,32 kg/s, xãy ra
tắc than máy cấp A1.
Mô phỏng máy cấp A2 bị tắc, yêu cầu lưu lượng than
nghiền giảm từ 7,32kg/s xuống 3.12kg/s.
4.2.3. Hiệu quả của giải pháp xử lý sự cố tắc than
Trong quá trình mô phỏng với phần mềm Centum VP, quan sát
các đồ thị (trend) đáp ứng của hệ thống trước và sau khi áp dụng biện

23
pháp xử lý tắc than ta thấy sau khi áp dụng biện pháp tắc than đã xử
lý được sự cố tắc than đối với trường hợp tắc một máy cấp, hai máy
cấp không gây dừng đột ngột máy nghiền và gây ra giảm tải hay
dừng tổ máy.
Hiện nay, giải pháp xử lý sự cố tắc than này đã được áp dụng
cho nhà máy. Trong quá trình vận hành tổ máy xãy ra sự cố tắc than,
không còn gây ra trình trạng đừng máy nghiền đột ngột, gây ra giảm
tải tổ máy củng như sự cố dừng tổ máy do tắc than gây ra.