Nghiên cứu điều khiển phụ tải nhiệt trong nhà máy nhiệt điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------LÊ ĐỨC THUẬN

LÊ ĐỨC THUẬN

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ
TỤ ĐỘNG HÓA

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT NHÀ MÁY
NHIỆT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

2016A
Hà Nội – 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------LÊ ĐỨC THUẬN

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN :

PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH

Hà Nội – 2018


MỤC LỤC
LỜI NĨI ĐẦU ............................................................................................................i
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... ii
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ................................................................................iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................v
Chương 1. TỔNG QUAN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ............................................1
1.1

Giới thiệu chung ............................................................................................1

1.2

Phân loại nhà máy nhiệt điện.........................................................................3

1.2.1

Phân loại theo nhiên liệu sử dụng ...........................................................3

1.2.1

Phân loại theo tuabin máy phát ...............................................................3

1.2.2

Phân loại theo dạng năng lượng cấp đi ...................................................3

1.3

Chu trình nhiệt của nhà máy nhiệt điện ngưng hơi .......................................3

1.4

Lò hơi trong nhà máy nhiệt điện ..................................................................4

1.4.1

Nguyên lý hoạt động ...............................................................................5

1.4.2

Lò hơi là một đối tượng điều khiển ........................................................6

1.4.3

Tổng quan hệ thống điều khiển lò hơi ..................................................10

Chương 2. NGUYÊN LÝ CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT ..............12
2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển phụ tải nhiệt ..................................................12
2.2 Hệ thống điều khiển hơi ..................................................................................13
2.2.1 Q trình sinh hơi.....................................................................................13
2.2.2 Các thơng số cần điều khiển của hơi ........................................................13
2.3.3 Chiến lược điều khiển hơi ........................................................................14
2.3 Quá trình cháy trong lị hơi .............................................................................17
2.3.1 Nhiên liệu và sản phẩm quá trình cháy ....................................................17
2.3.2 Các giai đoạn của quá trình cháy trong buồng lửa...................................19

2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy ................................................20
2.3.4 Các phương pháp điều chỉnh q trình cháy............................................21
2.4 Hệ thống điều khiển gió và nhiên liệu cho lị hơi ...........................................25
2.4.1 Hệ thống cung cấp gió .............................................................................25


2.4.2 Hệ Thống cấp, nghiền và vận chuyển than ..............................................28
2.4.3 Hệ thống điều khiển nhiên liệu và gió .....................................................29
2.5 Nước cấp cho bao hơi .....................................................................................33
Chương 3. XÂY DỰNG ĐỘNG HỌC VÀ MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI
NHIỆT ......................................................................................................................36
3.1 Các chế độ điều khiển lò hơi ...........................................................................36
3.2 Lựa chọn phương pháp điều khiển ..................................................................37
3.3 Động học quá trình ..........................................................................................38
3.3.1. Động học q trình đơt cháy trong bng lửa ........................................38
3.3.2 Phương trình trao đổi nhiệt giữa kì với ống sinh hơi ...............................41
3.3.3 Động học quá trình sinh hơi trong ống sinh hơi ......................................42
3.3.4 Động học q trình điều khiển lưu lượng khí ..........................................44
3.3.5 Quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất hơi .......................................................45
3.3.6 Động học quá trình gia nhiệt hơi và sinh công của hơi ...........................47
3.4 Thiết kế hệ thống điều khiển ...........................................................................48
Chương 4. MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT .........................51
4.1 Tính tốn mơ phỏng ........................................................................................51
4.1.1 Thơng số nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh ..............................................51
4.1.2 Tính tốn mơ phỏng .................................................................................53
4.2 Thiết kế và chỉnh định bộ điều khiển PID ......................................................58
4.3 Mô phỏng hệ thống .........................................................................................60
4.3.1 Mô phỏng đáp ứng hệ thống khi thay đổi công suất tải ...........................62
4.3.2 Mô phỏng đáp ứng hệ thống khi thay đổi nhiệt trị than...........................63
4.3.3 Mô phỏng đáp ứng hệ thống khi thay đổi hệ số tỷ lệ ...............................63

4.3.4 Tổng hợp đáp ứng hệ thống .....................................................................64
KẾT LUẬN ..............................................................................................................65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................66


LỜI NÓI ĐẦU
Trong xã hội hiện nay, nhu cầu sử dụng điện năng của con người luôn tỉ lệ thuận
với xu thế phát triển của kinh tế xã hội. Nhất là vào những mùa khơ, nắng nóng, tình
trạng thiếu điện liên tục xảy ra trên cả nước. Để tránh xáy ra tình trạng thiếu điện đó
thì nước ta đã xây dựng rất nhiều nhà máy sản xuất điện năng. Và nhà máy nhiệt điện
được xây dựng như là một cánh tay trái góp phần giảm tải cho các nhà máy sản xuất
điện năng trên cả nước.
Trên thế giới điện năng được sản xuất từ nhà máy nhiệt điện chiếm khoảng 70%
điện năng thế giới, riêng ở nước ta lượng điện năng do các nhà máy nhiệt điện sản
xuất ra chiến một tỷ lệ nhỏ trong tổng điện năng trên toàn quốc. Nhưng đối với mỗi
quốc gia trên thế giới thì việc sản xuất ra điện năng còn tùy thuộc vào nguồn lượng
sẵn có, điều kiện kinh tế và cũng như sự phát triển khoa học kỹ thuật.
Để tìm hiểu sâu hơn về nhà máy nhiệt điện thì trong luận văn tốt nghiệp này em
đã chọn đề tài: Nghiên cứu điều khiển phụ tải nhiệt trong nhà máy nhiệt điện.
Với đề tài này, luận văn của em được chia làm các nội dung như sau:
⚫ Tổng quan nhà máy nhiệt điện.
⚫ Nguyên lý của hệ điều khiển phụ tải nhiệt.
⚫ Xây dựng động học và mơ hình hệ điều khiển phụ tải nhiệt.
⚫ Mô phỏng hệ điều khiển phụ tải nhiệt.
Trong thời gian thực hiện luận văn, em đã nhận được sự hướng dẫn tận tình từ
thầy giáo PGS.TS. Bùi Quốc Khánh và các thầy cô, anh chị làm việc tại Viện kỹ
thuật điều khiển và tự động hóa. Em xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới thầy cô cùng các
anh chị ở Viện. Do cịn ít kinh nghiệm, thời gian có hạn cũng như kiến thức cịn nhiều
hạn chế nên luận văn này chắc chắn còn rất nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được
sự đóng góp của các thầy cơ để luận văn của em được hồn thiện hơn.

Hà Nội, Ngày 15 tháng 09 năm 2018
Học viên thực hiện
Lê Đức Thuận

i


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Q trình chuyển hóa năng lượng của nhà máy nhiệt điện ......................... 2
Hình 1.2. Sơ đồ chu trình nhiệt trong nhà máy ........................................................... 4
Hình 1.3. Các bộ phận chính trong lị hơi ................................................................... 6
Hình 1.4. Các đầu vào ra của lị hơi ............................................................................ 7
Hình 1.5. Cân bằng năng lượng giữa nước cấp và hơi................................................ 8
Hình 1.6. Cân bằng khối lượng giữa nhiên liệu, gió và khói thải tro xỉ ..................... 8
Hình 1.7. Cân bằng năng lượng giữa đầu vào ra lị hơi .............................................. 9
Hình 1.8. Quá trình cháy trong buồng lửa ................................................................ 11
Hình 2.1. Sự thay đổi của tỉ lệ áp suất hơi, lưu lượng hơi và tỉ lệ cháy theo thơi gian
................................................................................................................................... 15
Hình 2.2. Mạch vòng điều chỉnh áp suất và feedfoward theo lưu lượng hơi ............ 16
Hình 2.3. Điều chỉnh tỉ lệ nhiên liệu khơng khí theo sai lệch b ................................ 22
Hình 2.4. Điều chỉnh kết hợp 3 thơng số .................................................................. 23
Hình 2.5. Điều chỉnh theo nồng độ CO và O2 trong khói ........................................ 24
Hình 2.6. Sơ đồ hệ thống khói gió ............................................................................ 26
Hình 2.7. Hệ thống nghiền than và vận chuyển than ................................................ 28
Hình 2.8. Hệ bù BTU cho than ................................................................................. 31
Hình 2.9. Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiên liệu và gió cấp 2 của lị hơi .................. 32
Hình 2.10. Hệ thống lọc khí, hâm nước và bơm cấp nước ....................................... 34
Hình 2.11. Đặc tính đầu ra của hệ bơm nước khơng đổi .......................................... 35
Hình 3.1. Chế độ điều chỉnh lị hơi theo tuabin ........................................................ 37
Hình 3.2. Đường đặc tính đáp ứng của chế độ điều khiển lò hơi theo tuabin........... 38

Hình 3.3. Q trình cháy trong lị hơi ....................................................................... 38
Hình 3.4. Quá trình sinh hơi trong ống sinh hơi ....................................................... 42
Hình 3.5. Quá trình chuyển động qua van ................................................................ 44
Hình 3.6 Đồ thị quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ .................................................... 46
Hình 3.7 Quá trình gia nhiệt và giảm ơn của hơi bão hịa ........................................ 47
Hình 3.8. Sơ đồ P&ID hệ điều khiển phụ tải nhiệt ................................................... 49

ii


HÌnh 4.1 Mạch vịng bộ điều khiển tín hiệu vào ....................................................... 53
Hình 4.2. Mạch vịng điều khiển tốc độ động cơ ...................................................... 54
Hình 4.3. Mơ hình bộ điều khiển PID ....................................................................... 59
Hình 4.4. Sơ đồ mơ phỏng hệ thống điều khiển phụ tải nhiệt .................................. 61
Hình 4.5. Đáp ứng hệ thống khi tăng cơng suất tải MW .......................................... 62
Hình 4.6. Đáp ứng hệ thống khi giảm công suất tải MW ........................................ 62
Hình 4.7. Đáp ứng hệ thống khi giảm nhiệt trị than H ............................................. 63
Hình 4.8. Đáp ứng hệ thống khi tăng hệ số K ........................................................... 63
Hình 4.9. Đáp ứng hệ thống khi xét tổng thể ............................................................ 64

iii


DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 4.1. Thông số nhà máy nhiệt điện Quảng Nình ............................................... 53
Bảng 4.2 Thơng số máy cấp than .............................................................................. 55

iv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

PID

Proportional Intergral
Derivative Controller

Bộ điều khiển vi tích phân tỉ
lệ

P&ID

Piping and instrumentation
diagram

Sơ đồ thiết bị và đường ống

FT

Flow rate Transmit

Cảm biến đo lưu lượng

FC

Flow rate Control

Bộ điều khiển đo lưu lượng

JT

Power Transmit

Cảm biến đo công suất

JC

Power Control

Bộ điều khiển đo công suất

PT

Pressure Transmit

Cảm biến đo áp suất

AT

Analysis Transmit

Cảm biến phân tích nồng độ

v


Chương 1
TỔNG QUAN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
1.1

Giới thiệu chung
Ngày nay, điện năng đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu trong sự phát

triển của mỗi quốc gia. Điện năng được sản xuất từ việc sử dụng nguồn năng lượng
thiên nhiên. Tùy theo việc sử dụng nguồn năng lượng mà người ta chia ra các loại
nhà máy điện khác nhau. Nhà máy nhiệt điện sử dụng nguồn nhiên liệu chủ yếu là
than, nhà máy thủy điện sử dụng năng lượng từ thế năng của nước, nhà máy điện
nguyên tử sử dụng năng lượng nguyên tử. Các nhà máy điện được xây dựng tùy theo
sự thuận lợi về địa lý, về lợi ích kinh tế. Đối với các nhà máy thủy điện được xây
dựng ở các con sông lớn để tận dụng năng lượng từ thế năng của nước để làm quay
tuabin. Cịn đối với nhà máy nhiệt điện thì phức tạp hơn rất nhiều so với nhà máy
thủy điện. Tuy nhiên việc tận dụng nước tự nhiên cũng là một lợi ích kinh tế của nhà
máy thủy điện, ngồi ra các nhà máy thủy điện cũng đem lại lợi ích cho ngành nông
nhiệp. Khi kỹ thuật ngày càng phát triển thì xu hướng xây dựng các nhà máy điện
nguyên tử ngày càng tăng lên, điều này giải quyết vấn đề năng lượng tự nhiên ngày
càng khan hiếm. Nhưng vấn đề quan trọng nhất với nhà máy điện nguyên tử là trình
độ kỹ thuật và an tồn nhà máy.
Ở nước ta thì các nhà máy nhiệt điện vẫn cung cấp một lượng điện không nhỏ
cho mạng lưới điện quốc gia. Đối với các nhà máy nhiệt điện hiện nay thì nhiên liệu
chính sử dụng là than và khí tự nhiên, các loại nhiên liệu lỏng ít được sử dụng do loại
nhiên liệu này còn nhiều hạn chế.
Nguyên lý sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện là chuyển hóa nhiệt năng từ đốt
cháy các loại nhiên liệu trong lò hơi thành cơ năng quay của tuabin, chuyển hóa cơ
năng thành năng lượng điện trong máy phát điện. Nhiệt năng được dẫn đến tuabin
qua một môi trường dẫn điện là hơi nước. Hơi nước chỉ là môi trường truyền tải nhiệt
năng đi, nhưng hơi vẫn phải đảm bảo chất lượng (như phải đủ áp suất, đủ độ khô)
trước khi đi vào tuabin để sinh cơng. Nhiệt năng cung cấp càng nhiều thì năng lượng

1

điện phát ra càng lớn và ngược lại. Điện áp phát ra ở đầu cực máy phát điện sẽ được
đưa qua hệ thống trạm biến áp nâng lên cấp điện áp thích hợp trước khi hịa vào mạng
lưới điện quốc gia.
Tóm lại q trình chuyển hóa năng lượng là từ năng lượng hóa năng chứa trong
nhiên liệu thành nhiệt năng bởi quá trình đốt cháy nhiên liệu. Hơi nước bão hịa là
mơi trường truyền nhiệt năng từ lị đến tuabin. Tại tuabin nhiệt năng biến đổi thành
cơ năng, sau đó từ cơ năng biến thành điện năng.
Q trình chuyển hóa năng lượng được thể hiện ở hình sau:

Hình 1.1. Quá trình chuyển hóa năng lượng của nhà máy nhiệt điện.
Q trình hóa năng chuyển thành điện năng được xảy ra như sau: Nhiên liệu
(than đá, khí, dầu mỏ) được nạp vào lò và được đốt cháy với tỷ lệ oxy phù hợp để
đảm bảo quá trình cháy đạt hiệu suất tối đa tại buồng đốt, hóa năng của nhiên liệu
được chuyển hóa thành nhiệt năng. Nhiệt năng sinh ra làm nước trong bao hơi của lị
chuyển hóa thành hơi nước. Hơi nước sinh ra (đảm bảo các tiêu chuẩn) được đưa tới
tuabin, tại đây hơi nước làm quay tuabin sinh công-cơ năng, tuabin quay làm roto
máy phát quay sinh ra điện năng.

2


1.2

Phân loại nhà máy nhiệt điện

1.2.1 Phân loại theo nhiên liệu sử dụng
Theo nhiên liệu sử dụng, nhà máy nhiệt điện được phân ra các loại sau:
➢ Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu rắn.

➢ Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu lỏng.
➢ Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu khí.
➢ Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu hỗn hợp.
1.2.1 Phân loại theo tuabin máy phát
➢ Nhà máy nhiệt điện tuabin hơi.
➢ Nhà máy nhiệt điện tuabin khí.
➢ Nhà máy nhiệt điện tuabin khí-hơi.
1.2.2 Phân loại theo dạng năng lượng cấp đi
Theo dạng năng lượng cấp đi, nhà máy nhiệt điện được phân ra các loại sau:
➢ Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi (Chỉ cung cấp điện năng).
➢ Trung tâm nhiệt - điện (Cung cấp đồng thời cả nhiệt năng và điện năng).
1.3

Chu trình nhiệt của nhà máy nhiệt điện ngưng hơi
Nước từ bao hơi đi xuống các đường ống được bố trí xung quanh thành lị, nước

sẽ nhận nhiệt năng từ q trình đốt cháy nhiên liệu trong lị và trở thành hơi bão hòa.
Hơi nước bão hòa được dẫn qua bộ lọc khô và bộ điều chỉnh hơi quá nhiệt để đảm
bảo nhiệt độ, áp suất vào tuabin cao áp để sinh cơng lần thứ nhất. Sau đó hơi lại được
đưa vào bộ gia nhiệt rồi tiếp tục được đưa vào tuabin trung áp để sinh công lần thứ
hai. Từ tuabin trung áp hơi được dẫn thẳng đến tuabin hạ áp đế sinh công lần cuối.
Hơi sau khi đã sinh công từ tuabin hạ áp sẽ được đưa xuống bình ngưng trở lại
thành nước. Bình ngưng có hệ thống nước làm mát tuần hoàn, và hệ thống hút chân
khơng làm cho hơi nước được ngưng tụ nhanh chóng. 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. Nước được tiếp tục đưa tới các bình gia nhiệt cao áp HP5, HP6, HP7 sẽ tiếp

3

tục được nâng nhiệt độ bởi hơi trích ra từ tuabin cao áp. Và trước khi trở lại bao hơi
thành chu trình khép kín nước được đưa qua bộ hâm để được làm nóng thêm bởi khói
thốt ra từ lị.

Hình 1.2. Sơ đồ chu trình nhiệt trong nhà máy.

1.4

Lị hơi trong nhà máy nhiệt điện
Lò hơi đốt phun được sử dụng với cơng suất trung bình và lớn, hiện nay dùng

phố biến trong các nhà máy nhiệt điện ở nước ta. Nhiên liệu của lị có thể là nhiên
liệu khí, nhiên liệu lỏng phun thành hạt hoặc nhiên liệu rắn được nghiền thành bột
mịn. Lị hơi có hai nhiệm vụ chính sau:
➢ Chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu như than đá, dầu mỏ, khí đốt, v.v...
trong buồng đốt nhiên liệu hữu cơ thành nhiệt năng.
➢ Truyền nhiệt năng sinh ra cho chất tải nhiệt hoặc môi chất để đưa chúng từ
thể lỏng có nhiệt độ thơng thường lên nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ sơi, biến thành hơi
bão hịa hoặc hơi quá nhiệt làm quay tuabin.

4


Lò hơi đốt than phun thường cung cấp hơi nước chạy các tuabin có thơng số
trung bình hoặc cao, có thể lên tới áp suất hàng trăm bar, nhiệt độ xấp xỉ 600°c, cơng
suất trung bình hoặc lớn, có thể lên tới trên 3000T/h. Nhiên liệu của lò hơi đốt phun
có thế là nhiên liệu khí, nhiên liệu lỏng phun thành bụi, nhiên liệu rắn được nghiền
thành bột rồi phun vào buồng lửa.

1.4.1 Nguyên lý hoạt động
Bột nhiên liệu sau khi được đưa vào buồng lửa bởi gió cấp 1 qua vòi phun, sẽ
nhận nhiệt từ buồng lửa và sản phẩm cháy trước đó, được sấy nóng, sấy khơ, tách
chất bốc, tạo cốc và bắt đầu cháy. Dưới tác dụng của quạt gió và quạt khói, khơng khí
được lưu thơng và cung cấp đầy đủ làm cháy kiệt các chất bốc và cốc, tạo thành sản
phẩm cháy và tro xỉ ở nhiệt độ cao.
Tro xỉ có hai cách xử lý, một là đưa ra khỏi lò ở dạng xỉ lỏng hoặc làm lạnh
trong phễu lạnh, động đặc lại rồi ra ngồi dưới dạng xỉ khơ. Tuy nhiên, vẫn cịn một
bộ phận bám lại trên bề mặt truyền nhiệt hoặc trên các đường ống dẫn khói. Sản phẩm
cháy khi ở trong buồng lửa có nhiệt độ khoảng 1200°C đến 1600°C , qua các bề mặt
truyền nhiệt cho môi chất, nhiệt độ giảm xuống 120°C đến 180°C trước khi thải ra
ngoài. Nước cấp được đưa qua bộ hâm nước, để làm nóng đến xấp xỉ nhiệt độ bão
hịa bởi khói thốt ra, mặt khác cũng để giúp cho q trình khử khí trong nước hiệu
quả hơn, rồi được đưa vào bao hơi. Tại bao hơi, hơi được tách ra, để đảm bảo nhiệt
độ, áp suất và trở thành hơi quá nhệt vào tuabin nên hơi tiếp tục được đốt nóng khi
đi qua bộ quá nhiệt. Phần nước chưa được hóa hơi sẽ quay lại dàn ống xuống cùng
với nước cấp để trở thành vịng tuần hồn tự nhiên.

5


Hình 1.3. Các bộ phận chính trong lị hơi.
1.4.2 Lị hơi là một đối tượng điều khiển
Lò hơi là thiết bị quan trọng của nhà máy nhiệt điện, là một thiết bị giúp cung
cấp nhiệt năng của quá trình đốt cháy nước cho đến khi nước chuyển hóa thành hơi.
Hơi dưới tác động của áp suất sẽ truyền nhiệt sang một quy trình. Nước là tác nhân
trung gian, rẻ tiền và hữu dụng giúp truyền nhiệt. Khi nước được chuyển thành hơi,
thể tích sẽ tăng lên khoảng 1600 lần, tạo ra một lực mạnh như thuốc súng. Vì vậy, lị
hơi phải là thiết bị được vận hành với sự cẩn thận đặt ở mức cao nhất. Nó phải hoạt
động sao cho phải đảm bảo được yêu cầu về công suất của nhà máy và phải thay đổi

sao cho phù hợp với nhu cầu sử dụng điện. Công suất điện phát ra phụ thuộc vào tốc
độ quay của roto máy phát, tức là phụ thuộc vào lưu lượng hơi được đưa tới tuabin.
Công suất máy phát tỷ lệ với lưu lượng hơi dẫn vào tuabin, khi lưu lượng hơi vào
tuabin nhiều thì cơng suất của máy phát được tăng lên và ngược lại. Như thế, khi yêu
cầu công suất phát điện thay đổi ta phải điều khiển thay đổi lưu lượng hơi đưa vào
tuabin. Muốn vậy, ta phải điều chỉnh nhiên liệu đưa vào lị, nước cấp vào bao hơi và
gió cung cấp cho buồng đốt như thế nào cho hợp lý để đạt được sản lượng hơi yêu
cầu.

6


Lị hơi là một hệ thống có nhiều đầu vào và đầu ra. Đầu vào của lò bao gồm
nhiên liệu, gió và lượng nước cấp xuống từ bao hơi. Đầu ra của lị hơi bao gồm hơi
nước bão hịa thốt ra từ bao hơi, lượng nước thừa đi xuống, khói thải và tro xỉ từ quá
trình cháy.
Đầu vào và ra có mối quan hệ mật thiết với nhau, với mỗi yêu cầu thay đổi đầu
ra là công suất máy phát điện thì cần điều khiển nhiên liệu đáp ứng được sản lượng
hơi mong muốn.
Trong lị hơi các q trình điều khiển gió vào lị, nhiên liệu, q trình cháy, hơi,
nước cấp đều có tác động và ảnh hưởng lẫn nhau. Đẻ đạt hiệu suất tối đa, đáp ứng
yêu cầu tải thì phải phối hợp điều khiển nhiều đối tượng với nhiều thơng số.

Hình 1.4. Các đầu vào ra của lị hơi.
a)

Hệ cân bằng khối lượng
❖ Cân bằng khối lượng giữa hơi và nước cấp.
Nước được cấp đến bao hơi, ở bao hơi nước nhận nhiệt năng từ quá trình cháy

trong lị hơi và chuyển hóa thành hơi nước bão hịa. Ngồi lượng hơi chính thốt ra
từ bao hơi được dẫn tới tuabin còn một lượng nước đi xuống quay trở lại bao hơi.
Đây chính là lượng nước được tách ra từ hơi bão hòa qua bộ phận lọc hơi. Trong cân
bằng này, thông thường lượng hơi sẽ chiếm khoảng 90% - 99% khối lượng đầu ra.

7


Hình 1.5. Cân bằng năng lượng giữa nước cấp và hơi.
❖ Cân bằng khối lượng giữa nhiên liệu và gió với khói thải và tro xỉ.
Nhiên liệu được đưa vào lị cộng với khơng khí để cung cấp 02 cho q trình
cháy của lị hơi. Gió đưa vào lị thường lớn hơn rất nhiều so với nhiên liệu (gấp khoảng
12-18 lần). Sau q trình cháy, những chất rắn khơng cháy được sẽ tạo thành tro xỉ.
Đồng thời một lượng khói thải lớn được đưa ra ngồi qua ống khói.

Hình 1.6. Cân bằng khối giữa nhiên liệu, gió và khói thải tro xỉ
Theo định luật bảo tồn khối lượng ta có cân bằng giữa đầu vào là nhiên liệu,
gió vớiđầu ra là khói thải, tro xỉ.

8


b)

Hệ cân bằng năng lượng
Năng lượng đầu vào của lò được xác định bởi tổng năng lượng chứa trong nhiên

liệu cấp vào lò. Tổng năng lượng cấp vào lò được tính bởi lưu lượng nhiên liệu đầu
vào nhân với năng lượng của mỗi đơn vị chuẩn trong một đơn vị thời gian.
Năng lượng đầu ra của lò bao gồm năng lượng hữu ích được tích trữ trong hơi

nước, năng lượng chứa trong khói và năng lượng chứa trong lượng nước thừa đi
xuống. Ngồi ra cịn một phần năng lượng bị mất do bị tổn thất trong lò gọi là tổn
thất nhiệt (do quá trình cháy và truyền nhiệt).
Từ định luật cân bằng năng lượng ta có phương trình thể hiện mối quan hệ giữa
năng lượng đầu vào và đầu ra của lò như sau:
Tổng năng lượng đầu vào = Tổng năng lượng hữu ích đầu ra + Tốn thất.

Hình 1.7. Cân bằng năng lượng giữa đầu vào và đầu ra lị hơi
c)

Quan hệ giữa cơng suất điện (MW) với lưu lượng hơi
Lưu lượng hơi quá nhiệt đến tuabin tỷ lệ trực tiếp với công suất điện MW phát

ra của máy phát, khi tốc độ máy phát không đổi.
Lưu lượng hơi Qs được tính như sau
𝑄𝑠 = 𝑘√𝛥𝑃 ⋅ 𝑃

(1.1)

Trong đó: P là áp suất hơi đầu vào của tuabin (P = Pin).

9


∆P - độ chênh lệch áp suất đầu vào và đầu ra: ∆P = Pin - Pout.
Pout - áp suất bình ngưng cuối tuabin là áp suất bằng khơng: Pout = 0.
𝑄𝑠 = 𝑘√𝛥𝑃 ⋅ 𝑃

(1.2)

𝑄𝑆 = 𝑘𝑃𝑖𝑛
Công suất phát ra tỷ lệ với lưu lượng hơi: 𝑀𝑊~ 𝑘2 . 𝑄𝑠
1.4.3 Tổng quan hệ thống điều khiển lò hơi
Hệ thống điều khiển lị hơi là một hệ thống có cấu trúc phức tạp với hàng trăm
mạch vòng điều khiển khác nhau. Có thể chia hệ thống điều khiển thành các hệ điều
khiển chính:
➢ Hệ điều khiển phụ tải nhiệt.
➢ Hệ điều khiển chân không buồng đốt.
➢ Hệ điều khiển mức nước bao hơi.
➢ Hệ điều khiển hơi.
Các hệ điều khiển này bao gồm nhiều mạch vòng điều khiển khác nhau nhưng
chúng phải đảm bảo thực hiện hai nhiệm vụ chính:
a)

Mạch vịng đảm bảo q trình chuyến hóa năng lượng
➢ Q trình chuyển hóa: Hóa năng → Nhiệt năng → Cơ năng → Điện năng.
➢ Đối với vấn đề điều khiển:
- Công suất máy phát → Tổng nhiệt năng yêu cầu → Lượng than cấp vào

lị + gió cung cấp đảm bảo q trình cháy.
- Cơng suất máy phát → Lượng đặt điều khiển lượng hơi cấp vào tuabin
đồng thời điều khiển nước cấp đảm bảo mức nước cân bằng trong bao hơi.
b)

Mạch vòng đảm bảo chất lượng
Nhiên liệu là những vật cháy tỏa ra nhiệt năng. Qua trình cháy trong buồng lửa

là sự tổng hợp các hiện tượng của các q trình phóng thích năng lượng, truyền nhiệt
và chuyển hóa năng lượng. Trong q trình cháy, phản ứng hóa học xảy ra mãnh liệt,
phát ra ánh sáng và nhiệt lượng rất cao, đồng thời kéo theo một loạt sự tiến hóa vật

chất khác.

10


Q trình cháy trong buồng lửa lị hơi trải qua bốn giai đoạn:

Hình 1.8. Q trình cháy trong bng lửa.
Q trình cháy của nhiên liệu trong buồng lửa phun than phụ thuộc vào nhiều
yếu tố, để đánh giá hiệu quả và chất lượng cháy ta có thơng số hiệu suất lị. Tính tốn
được hiệu suất lị cho ta xác định được để đạt lượng hơi yêu cầu thì cần phải cung cấp
bao nhiêu nhiên liệu cho quá trình là tiết kiệm năng lượng đầu vào tối đa nhất. Thông
thường hiệu suất lò nằm trong khoảng 40% - 43%. Mặt khác, chất lượng của các yếu
tố đầu vào cũng ảnh hưởng tới hiệu suất.
Để đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất cũng như tuổi thọ của nhà máy và chất
lượng điện phát ra thì nhiên liệu cấp vào lị phải đủ mịn, lượng khơng khí cấp vào
phải đảm bảo nhiên liệu cháy hết tạo ra nhiệt năng lớn nhất, ngoài ra phải đảm bảo
chất lượng hơi có nhiệt độ, áp suất ổn định và lưu lượng đáp ứng đúng theo yêu cầu
tải. Quan trọng hơn để không hư hỏng thiết bị đặc biệt là gây rỗ và hỏng cánh tuabin
thì hơi nước không được phép lẫn bụi hoặc các hạt nước li ti.
Tất cả các mạch vòng điều khiển đều có sự liên quan và ràng buộc lẫn nhau. Vì
vậy điều khiển lò hơi là một điều khiển phức tạp có nhiều đầu vào/ra có tác động xen
kênh lớn.

11


Chương 2
NGUYÊN LÝ CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT
2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển phụ tải nhiệt

Nhà máy nhiệt điện hoạt động theo yêu cầu của tải, tín hiệu tải u cầu đóng vai
trị chủ đạo, là cơ sở cho các tín hiệu điều khiển trong hệ thống. Trạng thái hoạt động
này do lượng hơi phụt vào tuabin quyết định. Như vậy lưu lượng hơi là thông số biến
đổi theo phụ tải.
Lưu lượng hơi dẫn vào tuabin càng nhiều thì cơng sinh ra càng lớn và cơng suất
của máy phát càng tăng lên và ngược lại. Ở mỗi cơng suất điện phát ra cần có một
lượng hơi tương ứng. Để điều chỉnh lưu lượng hơi phải điều chỉnh nhiên liệu đầu vào
cho q trình cháy trong lị hơi và điều chỉnh van tuabin. Khi điều chỉnh nhiên liệu
thì đồng thời tác động lên bộ điều chỉnh khơng khí cho phù hợp với chế độ kinh tế
nhất. Sơ đồ điều chỉnh loại này gọi là sơ đồ tác động theo nguyên tắc “nhiệt - nhiên
liệu”, hệ thống điều chỉnh này được gọi là hệ thống điều chỉnh phụ tải nhiệt.
Hệ thống điều chỉnh phụ tải nhiệt nhằm duy trì ổn định sản lượng hơi bắn vào
tuabin ứng với giá trị yêu cầu. Lưu lượng hơi vào tuabin đi qua một van điều chỉnh
gọi là van tuabin. Vì vậy, hoạt động của tuabin phụ thuộc chính vào lượng hơi tạo ra
từ lò hơi và độ mở van tuabin.
Điều chỉnh phụ tải nhiệt chính là điều chỉnh lượng hơi ra từ lò sao cho đảm bảo
sản lượng và chất lượng. Sản lượng hơi sinh ra phụ thuộc vào nhiệt năng cung cấp
cho nước. Nhiệt năng cung cấp cho nước càng lớn thì lượng hơi sinh ra càng nhiều
và ngược lại. Do vậy sản lượng hơi sinh ra phục thuộc vào quá trình cháy của lị hơi,
tức là phụ thuộc vào lượng nhiên liệu cho vào lị.
Khi có u cầu thay đổi cơng suất điện nhà máy thì lưu lượng hơi dẫn tới tuabin
thay đổi, áp suất hơi thay đổi tác động tới bộ điều khiển áp suất hơi, dẫn tới phải thay
đổi nước cấp cho bao hơi và nhiệt năng cấp cho nước. Nhiệt năng cấp cho nước thay
đổi tác động làm thay đổi nhiệt độ ngọn lửa trong buồng đốt, khi đó nhiên liệu và
khơng khí cung cấp cho lị sẽ thay đổi theo.

12


2.2 Hệ thống điều khiển hơi

Hơi là đối tượng mang nhiệt năng và được dẫn đến tuabin để chuyển hóa thành
cơ năng.
2.2.1 Quá trình sinh hơi
➢ Thành buồng đốt được cấu tạo từ các sinh hơi được hàn với nhau, nước từ
bao hơi theo đường ống nước xuống phân chia đi vào các ống góp dưới rồi đi vào các
dàn ông sinh hơi.
➢ Các dàn ống sinh hơi được đốt nóng trực tiếp bởi ngọn lửa trong lị.
➢ Nước trong các dàn ông sẽ sôi và sinh ra hơi.
➢ Hơi nước bốc lên các dàn ống góp và được đi vào bao hơi trước khi đi qua
máy lọc để trở thành hơi bão hịa.
2.2.2 Các thơng số cần điều khiển của hơi
Để đảm bảo hiệu suất biến đổi năng lượng tốt cần phải quan tâm đến các thông
số cơ bản của hơi nước là:
❖ Lưu lượng hơi:
Lưu lượng hơi là thống số quyết định đến sự thay đổi của phụ tải, lưu lượng
hơi dẫn vào tuabin càng nhiều thì cơng sinh ra càng lớn và công suất điện sinh ra càng
tăng và ngược lại.
Yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đế lưu lượng hơi sinh ra là lượng nhiên liệu đầu vào
và van hơi tuabin.
❖ Áp suất hơi:
Áp suất hơi là thông số được yêu cầu dữ không đổi, giữa áp suất và lưu lượng
có quan hệ qua lại chặt chẽ, khi lưu lượng hơi tăng đột ngột sẽ dẫn đến áp suất giảm
do hơi từ bao hơi chưa cung cấp kịp cho thấy sự thay đổi về yêu cầu của hơi, vì vậy
áp suất cũng là 1 yếu tố quyết định sự thay đổi nhiên liệu.
❖ Nhiệt độ hơi:
Nhiêt độ hơi là một trong những yêu tố đánh ra chất lượng hơi ra, Nhiệt độ vào
tuabin luôn phải giữ ở 1 nhiệt độ ổn định khoảng 5380C để tiết kiệm năng lượng tránh
sự tổn thất do trao đổi về nhiệt giữa hơi và đường ống, tránh gây hư hại ống.

13

Nhiệt độ hơi cao cũng nhằm cho lượng ấm trong hơi giảm xuống tối đá tránh
gây ăn mòn, rỗ đường ống và tuabin, cũng như chất lượng chuyển hóa năng lượng.
Sự điều chỉnh hơi quá nhiệt trước khi vào tuabin tương đối độc lập so với 2 yếu
tố còn lại
2.3.3 Chiến lược điều khiển hơi
Như vậy trong điều khiển hơi quá nhiệt thực chất là tác động đến 3 yếu tố: Lưu
lượng, áp suất và nhiệt độ.
Trong đó nhiệt độ và áp suất phải giữ khơng đổi trong q trình tải biến đổi còn
lưu lượng thay đổi theo yêu cầu tải.
a)

Điều khiến áp suất và lưu lượng hơỉ
Áp suất và lun lượng là 2 đại lượng luôn thay đổi phụ thuộc vào nhau nên muốn

điều khiển 1 yếu tố ta phải quan tâm đến yếu tố cịn lại.
Khi có u cầu thay đổi công suất điện nhà máy (giả sử u cầu cơng suất phải
tăng lên) thì u cầu lưu lượng hơi dẫn đến tuabin phải tăng nhưng sản lượng hơi
sinh ra từ bao hơi chưa đáp ứng kịp làm cho áp suất hơi vào tuabin giảm.
Điều này có thể giải thích như sau:
Dựa trên phương trình trạng thái chất khí: pV = nRT
Khi nhiên liệu đưa vào lị tăng ngay lập tức thể tích hơi sinh ra trong bao hơi
tăng nghĩa tuy nhiên nhiệt độ hơi không chỉ phụ thuộc vào q trình cháy mà cịn phụ
thuộc vào nhiệt năng tích trữ trong các thiết bị như thành lị ống dẫn, khi lưu lượng
tăng nhiệt này phải truyền cho 1 lượng khí lớn hơn nên bị giảm nhanh dẫn đến T
không được như trước khi tải thay đổi dẫn đến trong giai đoạn đầu áp suất khí p trên
cùng một lượng khí sụt giảm khi tải tăng.

14

Hình 2.1. Sự thay đổi của tỷ lệ áp suất hơi, lưu lượng hơi và tỷ lệ cháy theo thời gian.

Tại thời điểm t khi yêu cầu lưu lượng hơi tăng 10% thì theo tính tốn u cầu
nhiên liệu cần tăng 9% nhưng ngay lập tức khi lưu lượng tăng 10% áp suất giảm
3,3%, để rút ngắn quá trình này và ổn định áp suất hơi như yêu cầu thì lượng nhiên
liệu vào được điều chỉnh tăng 11,25% ngay lúc ban đầu sau đó mới giảm xuống ổn
định ở 9%.
Trong thực tế cồng nghiệp sự sụt áp hơi từ bao đến bộ quá nhiệt là lớn thì khi
lưu lượng thay đổi làm áp suất thay đổi 1 lượng lớn thì bộ điều khiển sau đây được
sử dụng.

15


Hình 2.2. Mạch vịng điều chỉnh theo áp suất và feedfoward theo lưu lượng hơi
(a ): Bộ cộng a lấy tổng thông số lưu lượng từ 2 bao hơi
(b): Bộ khuyếch đại có chức năng điều chỉnh tín hiệu vào bộ cộng tổng
(d): Bộ điều khiển theo áp suất
(c): Bộ tổng tín hiệu từ b và d
Lượng hơi được lấy từ hai bao hơi và tín hiệu lưu lượng hơi tổng đầu ra bộ cộng
(a) là tín hiệu yêu cầu bù (tín hiệu đặt). Bộ khuếch đại (b) có chức năng điều khiển
tín hiệu vào bộ cộng tổng (c).
Bộ điều khiển áp suất (d) có tác dụng điều chỉnh nhiên liệu đáp ứng bù cho sự
thay đổi nhiệt năng tích trữ.
Như trong ví dụ ban đầu: Bộ (b) có nhiệm vụ tính tốn ra u cầu tăng nhiên
liệu là 9% theo u cầu hơi ra, (d) có nhiệm vụ tính toán điều chỉnh thêm 2,25% theo
áp suất thực tế đo được so với áp suất đặt từ đó đưa tín hiệu cộng vào bộ (c) là
11,25%.

16