Nghiên cứu thiết kế hệ điều khiển mức nước bao hơi trong nhà máy điện
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.34 MB, 99 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
LÊ THÀNH TRUNG
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN MỨC
NƯỚC BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội – 10/2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
LÊ THÀNH TRUNG
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN MỨC
NƯỚC BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Bùi Đăng Thảnh
Hà Nội – 10/2016
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu
trong khóa luận là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng.
Hà Nội, tháng 9 năm 2016
Tác giả luận văn
Lê Thành Trung
Page 2
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đến nay, em đã
nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý thầy cơ, gia đình và bạn bè.
Với lịng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý thầy cô giáo Viện Điện –
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để
truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Bùi Đăng Thảnh người đã trực tiếp
hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Nhờ sự giúp đỡ và hướng dẫn
nhiệt tình của thầy em đã có được những kiến thức quý báu về cách thức nghiên
cứu vấn đề cũng như nội dung của đề tài, từ đó em có thể hồn thành tốt khố luận
tốt nghiệp của mình.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 09 năm 2016
Học viên thực hiện
Lê Thành Trung
Page 3
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. 1
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... 3
MỤC LỤC ............................................................................................................. 4
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 7
1.1.
Tổng quan nhà máy nhiệt điện tuabin hơi ................................................ 8
1.1.1.
Giới thiệu chung về nhà máy nhiệt điện ............................................ 8
1.1.2.
Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện ................................. 10
1.1.3.
Chu trình nhiệt của nhà máy nhiệt điện ........................................... 11
1.2.
Lò hơi nhà máy nhiệt điện tuabin hơi ..................................................... 13
1.2.1.
Nhiệm vụ của lò hơi......................................................................... 13
1.2.2.
Cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò hơi ........................................ 14
1.2.3.
Các thiết bị phụ của lò ..................................................................... 17
1.2.4.
Giới thiệu về tuabin hơi ................................................................... 18
1.2.5.
Giới thiệu sơ lược các hệ thống điều khiển lò hơi ........................... 19
1.3.
Hệ thống điều khiển và giám sát nhà máy .............................................. 22
1.4.
Tổng kết chương 1 .................................................................................. 23
CHƯƠNG II. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO
HƠI ...................................................................................................................... 24
2.1.
Vai trò và nhiệm vụ của bộ điều khiển mức nước bao hơi..................... 24
2.2.
Các yếu tố ảnh hưởng tới bộ điều khiển mức nước bao hơi................... 25
2.2.1.
Ảnh hưởng của sự thay đổi lưu lượng nước cấp vào lò................... 25
Page 4
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
2.2.2.
Ảnh hưởng của lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa ....................... 25
2.2.3.
Ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất .................................................. 26
2.2.4.
Ảnh hưởng của sự thay đổi lưu lượng hơi ra khỏi lị....................... 26
2.3.
Động học q trình trong bao hơi ........................................................... 26
2.3.1.
Phương trình cân bằng khối lượng và bảo tồn khối lượng ............ 28
2.3.2.
Mơ hình hóa bộ điều khiển mức nước bao hơi ................................ 29
2.4.
Các cấu trúc cơ bản của điều khiển mức nước bao hơi .......................... 30
2.4.1.
Sơ đồ điều khiển một tín hiệu .......................................................... 30
2.4.2.
Sơ đồ điều khiển hai tín hiệu ........................................................... 33
2.4.3.
Sơ đồ điều khiển ba tín hiệu ............................................................ 36
2.5.
Các phương thức điều chỉnh ................................................................... 39
2.5.1.
Cấu trúc điều khiển mức nước 3 tín hiệu......................................... 41
2.5.2.
Chế độ điều khiển theo độ chênh áp hai đầu van điều khiển........... 41
2.6.
Sơ đồ nguyên lý chung của bộ điều khiển mức nước bao hơi................ 43
2.6.1.
Thiết bị đo ........................................................................................ 44
2.6.2.
Thiết bị chấp hành............................................................................ 47
2.6.3.
Bình bao hơi ..................................................................................... 51
2.6.4.
Bộ điều khiển ................................................................................... 55
2.7.
Tổng kết chương 2 .................................................................................. 56
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI .............. 57
3.1. Tính tốn mơ phỏng bộ điều khiển ............................................................ 57
3.1.1. Hàm truyền của các đối tượng thực tế................................................. 57
3.1.2. Tính tốn bộ điều khiển ....................................................................... 58
3.2. Thiết kế phần cứng .................................................................................... 61
Page 5
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
3.2.1. Sơ đồ P&ID của phần điều khiển mức nước bao hơi .......................... 61
3.2.2. Thống kê các điểm vào/ra của phần điều khiển mức nước bao hơi .... 63
3.2.3. Lựa chọn thiết bị trường cho phần điều khiển mức nước bao hơi ...... 64
3.2.4. Cấu hình bộ điều khiển AC 800M của ABB....................................... 68
3.2.5. Lựa chọn máy tính điều khiển giám sát .............................................. 77
3.3. Thiết kế phần mềm .................................................................................... 85
3.3.1. Lưu đồ thuật tốn điều khiển 1 tín hiệu .............................................. 85
3.3.2. Lưu đồ thuật tốn điều khiển 2 tín hiệu: ............................................. 86
3.3.3. Lưu đồ thuật tốn điều khiển 3 tín hiệu .............................................. 86
4.1. Kết quả mô phỏng ...................................................................................... 88
4.2. Giao diện điều khiển thực tế ...................................................................... 89
Kết luận và hướng phát triển của đề tài ............................................................... 94
Tài liệu tham khảo ................................................................................................ 95
Page 6
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
MỞ ĐẦU
Bao hơi là thiết bị đặc biệt quan trọng của Lị thu hồi nhiệt, có thể được xem
như quả tim cùa Lị thu hồi nhiệt. Bao hơi đóng vai trị vị trí trung gian trong q
trình chuyển đổi pha của nước/hơi trong quá trình biến đổi nước thành hơi. Nước
cấp từ bộ tiết nhiệt cấp vào trong bao hơi, nước từ bao hơi vào bộ sinh hơi trở
ngược lại bao hơi và hơi từ bao hơi đi vào các bộ siêu nhiệt.
Trong q trình vận hành của Lị thu hồi nhiệt, mực nước trong bao hơi phải
luôn được duy trì ở một mức ổn định. Mực nước trong bao hơi bị giảm thấp quá
mức sẽ gây hư hỏng các bộ sinh hơi, bộ siêu nhiệt do bị quá nhiệt trên đường ống.
Ngược lại, mực nước bao hơi tăng cao quá mức có thể làm nước đi vào các bộ quá
nhiệt gây ra hiện tương thủy kích đường ống, trường hợp xấu hơn, nước đi vào đến
tuabin sẽ gây hư hỏng cánh tuabin.
Do đó, các yêu cầu liên quan đến việc điều khiển mực bao hơi đặt ra rất khắt
khe. Điều khiển mực bao hơi phải đảm bảo đáp ứng mọi trạng thái làm việc khác
nhau của Lò thu hồi nhiệt từ khởi động, tăng giảm lượng nhiệt cấp vào Lò, sự biến
đổi áp suất trong bao hơi cũng như những thay đổi tải của tuabin hơi.
Chính vì những lý do trên, em lựa chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế bộ điều
khiển mức nước bao hơi”.
Page 7
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
CHƯƠNG I. KHÁT QUÁT VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN TUA BIN HƠI
1.1. Tổng quan nhà máy nhiệt điện tuabin hơi
1.1.1. Giới thiệu chung về nhà máy nhiệt điện
Hình 1.1: Hình ảnh tổng quan hoạt động và các thành phần cơ bản của nhà máy
nhiệt điện
Nhà máy nhiệt điện hoạt động trên nguyên lý chuyển hóa năng lượng
nhiệt năng từ đốt cháy các nhiên liệu hữu cơ thành cơ năng làm quay tuabin,
cuối cùng mới chuyển cơ năng thành năng lượng điện. Nhiệt năng được dẫn tới
tuabin qua môi trường dẫn nhiệt là hơi nước. Nhiệt năng cung cấp càng nhiều thì
năng lượng điện phát ra càng lớn và ngược lại. Điện áp phát ra ở mỗi đầu cực
máy phát được đưa qua hệ thống trạm biến áp nâng áp tới cấp điện áp thích hợp
trước khi hịa vào lưới điện quốc gia.
Page 8
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
Các thành phần chính trong q trình chuyển hóa năng lượng trong nhà
máy nhiệt điện bao gồm:
Lò hơi: thực hiện chuyển đổi năng lượng sơ cấp (than, dầu) thành
nhiệt năng, chuyển nước thành hơi nước.
Tuabin: tuabin thực hiện chuyển đổi năng lượng từ nhiệt năng
sang cơ năng.
Máy phát: máy phát thực hiển chuyển đổi năng lượng từ cơ năng
sang điện năng.
Trạm biến áp: trạm biến áp thực hiện nâng điện áp từ đầu cực
máy phát lên điện áp cao để đáp ứng truyền tải điện năng.
Ngoài các thành phần chính, nhà máy nhiệt điện chứa các hệ thống phụ
trợ cho các thành phần chính như:
Hệ thống chế biến và cung cấp nhiên liệu: Nhiên liệu là than được
nghiền mịn (R90) rồi được gió nóng thổi vào lị thực hiện q trình
cháy sinh ra nhiệt.
Trạm bơm tuần hoàn: Trạm bơm tuần hoàn làm nhiệm vụ cung cấp
nước làm mát bình ngưng với lưu lượng nước làm mát bình ngưng là
38580 m3/h.
Trạm bơm nước ngọt: Cung cấp nước ngọt cho quá trình vận hành và
làm mát, chèn…
Hệ thống xử lý nước: Xử lý nước ngọt (nước thơ) trước khi cung cấp
cho q trình vận hành.
Hệ thống khử bụi – Khử lưu huỳnh: Đây là hai hệ thống quan trọng
đảm bảo môi trường được sạch – Hệ thống khử tro bụi và chất độc hại
lưu huỳnh trong khói trước khi thải ra mơi trường.
Hệ thống thải xỉ: Thải xỉ lò ra khỏi nhà máy.
Hệ thống cung cấp dầu đốt lị, dầu bơi trơn làm mát gối trục.
Page 9
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
Hệ thống sản xuất Hydrơ: Cung cấp Hydro có chất lượng cao làm mát
máy phát điện.
Hệ thống cung cấp khí: Cung cấp khí cho các van khí nén.
Hệ thống điều khiển, đo lường...
Các thành phần trong nhà máy hoạt động thơng qua hệ thống tích hợp
hoạt động của các thành phần với nhau, hệ thống đó là hệ thống điều khiển và
giám sát tích hợp (ICMS) trong nhà máy. Mỗi hệ thống đều có các trạm điều
khiển riêng và được tích hợp trong hệ thống ICMS.
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện
Nhà máy nhiệt điện hoạt động trên nguyên lý chuyển hóa năng lượng hữu
cơ thành nhiệt năng bằng việc đốt cháy các nhiên liệu đó trong lị hơi. Nhiệt
năng làm thay đổi trạng thái của môi chất. Môi chất nhận nhiệt trở thành thế
năng được dẫn truyền đến đến các tầng cánh tuabin tạo thành động năng làm
quay tuabin. Tuabin quay làm quay máy phát điện, chuyển cơ năng của tuabin
thành năng lượng điện trong máy phát điện.
Môi chất là môi trường truyền tải năng lượng đi, vì vậy phải đảm bảo chất
lượng như: áp xuất, nhiệt độ, độ khô. Nhiệt năng cung cấp càng nhiều thì năng
lượng điện phát ra càng lớn và ngược lại. Điện áp phát ra ở đầu cực máy phát
điện sẽ được đưa qua hệ thống trạm biến áp để nâng lên cấp điện áp thích hợp
trước khi hồ vào mạng lưới điện quốc gia.
Q trình chuyển hố năng lượng của nhà máy nhiệt điện tua bin hơi. Hóa
năng chứa trong nhiên liệu thành nhiệt năng bởi quá trình đốt cháy. Nhiệt năng
cấp cho nước để tạo thành hơi bão hịa. Hơi bão hồ tích năng lượng chuyển
thành động năng tác động vào cánh tua bin, tua bin quay tạo thành cơ năng quay
máy phát và chuyển hoá thành điện năng. Q trình chuyển hố năng lượng đó
có thể được thể hiện qua sơ đồ sau:
Page 10
Lê Thành Trung
Nhiệt năng
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
Hóa năng
Nhiên liệu
Lị
Cơ năng
Bao hơi
Hơi
Tuabin
Máy phát
Nước ngưng
Hình 1.2: Sơ đồ chu trình chuyển hóa năng lượng trong nhà máy nhiệt điện
1.1.3. Chu trình nhiệt của nhà máy nhiệt điện
Nhà máy nhiệt điện hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển hóa nhiệt năng
thành cơ năng rồi sau đó thành điện năng. Q trình chuyển hóa nhiệt năng thành
cơ năng thơng qua mơi chất trung gian đó là nước. Nước được chuyển hóa thành
hơi nước trong lị hơi nhờ nhiệt lượng sinh ra từ việc đốt cháy các nhiên liệu:
than đá, khí thiên nhiên tại buồng đốt. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện
tua bin hơi được thực hiện như sau:
Nước từ bình ngưng có nhiệt độ gần bằng nhiệt độ môi trường, được bơm
ngưng bơm qua bộ gia nhiệt hơi chèn tới các bộ gia nhiệt hạ áp số 1→2→3→4.
Tại đây, nước sẽ được làm nóng lên bơi hơi trích ra từ tuabin hạ áp. Sau khi ra
khỏi các bình gia nhiệt hạ áp nước được đưa tời bình khử khí để khử hết các bọt
khí có lẫn trong nước.
Nước từ bình khử khí được các bơm tăng áp và bơm cấp A,B,C đưa lần
lượt tới các bình gia nhiệt cao áp số 6, bình gia nhiệt cao áp số 7 và bình làm mát
hơi của bình gia nhiệt số 6. Các bình gia nhiệt cao áp này sẽ tiếp tục nâng nhiệt
độ của nước nhờ hơi trích từ tuabin cao áp. Tiếp đó, nước được đưa vào bộ hâm
để làm nóng thêm nhờ khói thốt ra từ lị. Nước ra khỏi bộ hâm có áp suất
khoảng 170 bar và nhiệt độ khoảng 450 .
Khi đã đạt được nhiệt độ thích hợp, nước được đưa vào bao hơi. Nước từ
bao hơi đi xuống các đường ống được bố trí xung quanh thành lò hay còn gọi là
Page 11
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
các giàn ống sinh hơi. Tại đây, 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 tách ẩm nhờ
các xyclon và màng chắn ẩm. Hơi ra khỏi bao hơi gần đạt trạng thái khơ hồn
tồn, được đưa vào các bộ quá nhiệt cấp 1, bộ quá nhiệt màng, bộ quá nhiệt cấp
2, trở thành hơi quá nhiệt có áp suất khoảng 170 bar và nhiệt độ khoảng 540 .
Hơi này sẽ được phun vào xylanh cao áp của tuabin, sinh công lần thứ nhất. Ra
khỏi xylanh cao áp, hơi bị mất nhiệt (còn khoảng 400 ), đi qua đường tái lạnh
vào bộ tái nhiệt để nâng nhiệt độ của hơi gần với nhiệt độ hơi mới (khoảng
540 ), theo đường tái nóng đi tới xylanh trung áp, giãn nở sinh công trong xy
lanh trung áp. Hơi ra khỏi xy lanh trung áp tiếp tục được đưa vào xy lanh hạ áp
để sinh công lần cuối. Hơi ra khỏi xylanh hạ áp sau khi sinh công sẽ được đưa
tới bình ngưng để ngưng trở lại thành nước. Bình ngưng có hệ thống nước làm
mát tuần hồn và hệ thống hút chân không làm cho hơi nước được ngưng tụ
nhanh hơn. Nước sau khi được ngưng tụ trong bình ngưng sẽ tiếp tục được bơm
ngưng bơm đi theo chu trình khép kín của hơi và nước.
Page 12
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
Hình 1.3: Chu trình nhiệt nhà máy nhiệt điện
1.2. Lị hơi nhà máy nhiệt điện tuabin hơi
1.2.1. Nhiệm vụ của lò hơi
Nhà máy nhiệt điện, lò hơi là thiết bị lớn nhất và vận hành phức tạp nhất.
Địi hỏi trình độ cơ khí hóa và tự động hóa cao, chế độ làm việc phải đảm bảo
sao cho đạt hiệu suất cao nhất. Trong đó xảy ra q trình đốt cháy nhiên liệu,
nhiệt lượng tỏa ra sẽ biến nước thành hơi, chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu
thành nhiệt năng của hơi. Lị hơi có các nhiệm vụ chính sau:
-
Chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu hữu cơ như than đá, dầu mỏ, khí
đốt… trong buồng đốt thành nhiệt năng.
-
Truyền nhiệt năng sinh ra cho môi chất bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt và
thông qua hệ thống dẫn đưa môi chất đi làm quay tua bin. Trong nhà máy
nhiệt điện tuabin hơi mơi chất là nước. Nước có nhiệt độ thông thường
Page 13
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
được nâng dần lên đến nhiệt độ sôi, chuyển trạng thái từ lỏng thành hơi và
tiếp tục nhận nhiệt thành hơi quá nhiệt.
Các nhà máy điện thường sử dụng hai loại lị hơi là: lị trực lưu và lị có
bao hơi.
Lị trực lưu: Lị trực lưu là loại lị khơng có bình bao hơi nên nước chỉ
được tuần hồn có một lần. Nước chuyển động dưới áp lực của bơm cấp qua bộ
hâm nước và đi trực tiếp vào bề mặt sinh hơi nhận nhiệt bức xạ của buồng lửa
rồi tới phần đối lưu. Khi đó nước đã được hố hơi hồn tồn trở thành hơi bão
hồ khơ và đi tới bộ q nhiệt tới tuabin.
Lị có bao hơi: Lị có bao hơi thì nước được tuần hồn tự nhiên nhiều lần
trong bao hơi, đường ống nước xuống và dàn ống sinh hơi. Dựa vào trọng lượng
riêng của môi chất, theo nguyên lý bề mặt nhận nhiệt nhiều hơn dãn nở nhiều
hơn có khối lượng riêng nhỏ hơn bị đẩy lên phía trên (trong giàn ống sinh hơi).
Việc thực hiện tuần hồn tự nhiên nhiều lần (4÷10) lần nhờ các thiết bị (bao hơi,
đường ống nước xuống, giàn ống sinh hơi, đường hơi lên) nối với nhau tạo thành
vòng tuần hồn.
Q trình truyền nhiệt từ sản phẩm cháy cho mơi chất đƣợc thực hiện nhờ
các dạng trao đổi nhiệt: bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt. Hiệu quả của các dạng này
phụ thuộc vào tính chất vật lý của mơi trường, mơi chất tham gia và phụ thuộc
vào hình dạng của lị hơi và các thiết bị có trong lị hơi.
1.2.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của lò hơi
Cấu tạo
Sơ đồ ngun lý cấu tạo của lị hơi có bao hơi được biểu diễn trên hình
1.4. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo lò hơi đốt than phun, đây là loại lò hơi dùng phổ
biến hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện ở nước ta và trên thế giới, cơng suất
của lị tương đối lớn.
Page 14
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
Hình 1.4: Sơ đồ ngun lý cấu tạo của lị hơi có bao hơi
1-Buồng đốt nhiên liệu;
12- Quạt gió;
2- Bơm cấp;
13- Thùng nghiền than;
3- Bộ hâm nước;
14- Bộ sấy không khí;
4- Đường ống dẫn nước vào bao hơi
15- Vịi phun nhiên liệu;
(balông);
5- Bao hơi;
16- Thuyền xỉ;
6- Dàn ống nước xuống;
17- Đường khói thải;
7- Dàn ống sinh hơi;
18-Khử bụi tĩnh điện
8- Ống hơi lên (dãy Pheston) cùng với bao
19- Quạt;
hơi tạo thành vịng tuần hồn tự nhiên của
20- Ống khói;
nước và hơi;
21- Phễu đựng tro bay.
Page 15
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
9- Đường ống dẫn hơi bão hoà tới bộ quá
nhiệt;
10- Bộ quá nhiệt;
11- Van hơi chính đặt trên đường ống dẫn
hơi tới turbine;
Nguyên lý làm việc
Lò hơi nhà máy máy nhiệt điện tua bin hơi dùng để sản xuất ra hơi quá
nhiệt. Hơi quá nhiệt nhận được tạo thành nhờ các q trình: đun nóng nước đến
sơi, nước sơi chuyển trạng thái từ pha lỏng thành hơi bão hòa, qua bộ quá nhiệt
để biến hơi bão hòa thành hơi quá nhiệt đưa tới tua bin. Cơng xuất của lị phụ
thuộc vào lưu lượng, nhiệt độ và áp xuất hơi. Các giá trị này càng cao thì cơng
xuất lị hơi càng lớn. Hiệu xuất trong quá trình trao đổi nhiệt giữa ngọn lửa và
khói với mơi chất trong lị hơi phụ thuộc vào tính chất vật lý của mơi chất (nước
hoặc hơi) và phụ thuộc vào hình dáng, cấu tạo, đặc tính của các phần tử lị hơi.
Trên hình 1.3 trình bày ngun lý cấu tạo của lị hơi tuần hồn tự nhiên trong
nhà máy điện tuabin hơi. Nhiên liệu (than bột) và khơng khí được phun qua vịi
phun số 15, vào buồng đốt nhiên liệu (buồng lửa) số 1, tạo thành hỗn hợp cháy
trong buồng lửa, nhiệt độ ngọn lửa có thể đạt tới 1900
. Nhiệt lượng tỏa ra khi
nhiên liệu cháy truyền cho nước trong dàn ống sinh hơi 7, nước tăng dần nhiệt
độ đến sôi, chuyển thành hơi bão hòa. Hơi bão hòa trong ống sinh hơi 7 đi đến
dàn ống hơi lên 8 và tập trung vào bao hơi số 5. Trong bao hơi số 5, hơi được
phân ly ra khỏi nước, nước tiếp tục đi xuống theo ống xuống 6 đặt ngồi tường
lị rồi lại sang ống sinh hơi 7 để tiếp tục nhận nhiệt. Hơi bão hòa từ bao hơi số 5
đi qua đường ống dẫn hơi tới bộ quá nhiệt số 9, đi vào các ống xoắn nhận nhiệt
từ khói nóng chuyển động ở phía ngồi ống, chuyển hơi bão hịa thành hơi q
nhiệt có nhiệt độ cao, áp xuất cao đi vào ống góp để sang tua bin. Hơi qua vịi
phun chuyển thành động năng tác dụng lên cánh tuabin làm quay tuabin. Dàn
ống sinh hơi số 7 đặt phía trong tường lị, nước trong ống nhận nhiệt và sinh hơi
tạo ra trong ống sinh hơi 7 một hỗn hợp là hơi và nước. Ống xuống số 6 đặt
Page 16
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
ngồi tường lị nên mơi chất trong ống là nước do không nhận 11 nhiệt. Khối
lượng riêng của hỗn hợp là hơi và nước trong ống 7 nhỏ hơn khối lượng riêng
của nước trong ống xuống 6 tạo nên áp lực đẩy hỗn hợp trong ống 7 đi lên còn
nước trong ống 6 đi xuống tạo thành quá trình tuần hồn tự nhiên. Buồng đốt
nhiên liệu (buồng lửa) trên hình 13, nhiên liệu được phun vào và cháy lửng lơ
trong buồng lửa. Quá trình cháy nhiên liệu xảy ra trong buồng lửa đạt đến nhiệt
độ rất cao, từ 1300
- 1900
vì vậy hiệu quả trao đổi nhiệt bức xạ giữa ngọn
lửa và giàn ống sinh hơi rất cao. Lượng nhiệt dàn ống sinh hơi thu đƣợc từ ngọn
lửa chủ yếu là do trao đổi nhiệt bức xạ. Để tăng hiệu quả hấp thụ nhiệt lượng bức
xạ của ngọn lửa đồng thời bảo vệ tường lò khỏi tác dụng của nhiệt độ cao và ảnh
hưởng xấu của tro nóng chảy, người ta bố trí các dàn ống sinh hơi 7 xung quanh
tường buồng lửa. Khói ra khỏi buồng lửa, trước khi vào bộ quá nhiệt đã được
làm nguội một phần ở dàn ống hơi lên, khói nóng chuyển động ngồi ống truyền
nhiệt cho hỗn hợp hơi nước chuyển động trong ống. Khói ra khỏi bộ quá nhiệt,
nhiệt độ còn cao, để tận dụng phần nhiệt thừa của khói người ta đặt thêm bộ hâm
nước và bộ sấy khơng khí ở phần đi lị. Bộ hâm nước có nhiệm vụ nâng nhiệt
độ của nước từ nhiệt độ khi ra khỏi bình gia nhiệt hạ áp lên đến gần nhiệt độ sôi
và cấp vào bình bao hơi 5. Đây là giai đoạn đầu tiên của q trình cấp nhiệt cho
nước ở lị hơi. Bộ hâm nước và bộ xấy khơng khí đã tận dụng một phần nhiệt
đáng lẽ bị thải ra ngồi. Chính vì vậy người ta còn gọi bộ hâm nước và bộ sấy là
bộ tiết kiệm nhiệt.
1.2.3. Các thiết bị phụ của lị
-
Các đường ống hơi và nước có các van cách ly, van điều chỉnh và van an
toàn được lắp đặt.
-
Các đường gió và đường khói dùng cho việc cung cấp gió tới các vịi đốt
và hút khói đưa tới ống khói.
-
Các đường hơi chính và hơi tái nhiệt.
-
Các thiết bị đo lường
-
Các thiết bị điều khiển, liên động và bảo vệ tự động.
Page 17
Lê Thành Trung
-
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
Các thành phần thiết bị không bao gồm trong phạm vi cung cấp của nhà
sản xuất (quạt khói, quạt gió .v.v..)
-
Các vịi thổi bụi
-
Các thiết bị rửa lị
-
Bộ sấy khơng khí sơ bộ dùng hơi.
1.2.4. Giới thiệu về tuabin hơi
a. Tổng quan về cấu tạo
Tua bin hơi là một động cơ nhiệt chuyển hóa thế năng của hơi nước thành
cơ năng làm quay roto. Tua bin hơi bao gồm hai thành phần chính đó là thành
phần cố định (stato) và phần quay (roto). Dãy các vòi phun nằm cố định còn
được gọi là dãy cánh tĩnh, dãy cánh được lắp trên trục roto gọi là dãy cánh động.
Mỗi cặp dãy cánh tĩnh và dãy cánh động liền kề tạo thành một tầng của tuabin.
Vì hơi nước đi vào ở tầng đầu tiên có áp suất cao và đi ra ở tầng cuối cùng
có áp suất thấp là cho thể tích riêng của hơi tăng nhanh. Do đó, tiết diện rãnh của
các dãy cánh tĩnh và dãy cánh động càng về cuối càng lớn. Đồng thời, đường
kính cánh, đường kính trục roto và đường kính trung bình của tầng càng về cuối
càng lớn.
Phía hơi vào bao giờ cũng có thêm bộ phận an toàn ghép nối trên trục của
roto nhằm mục đích cắt hơi đi vào tuabin khi số vịng quay thực tế quá số vòng
quay định mức 10 – 12%. Các đoạn trục ghép được làm mát và bôi trơn bằng
bơm dầu. Roto của tuabin được nối với roto của máy phát bằng khớp nối trục
nửa mềm.
Stato bao gồm có thân tuabin, các hộp ống phun, hộp supap, vành chèn
đầu cuối, vành bánh tĩnh, bánh tĩnh và các bộ chèn bánh tĩnh. Thân tuabin có hai
mặt bích ngang và hai mặt bích đứng nhằm chia tuabin thành phần trước, phần
giữa và ống thốt. Ngồi ra cịn có ổ đỡ trước, sau dùng cho roto và máy phát.
Page 18
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
b.Vận hành tua bin hơi
Vận hành tua bin hơi nhằm mục đích cung cấp điện và nhiệt năng liên tục,
đảm bảo chất lượng, an toàn, với độ tin cậy cao và hiệu quả kinh tế tối đa.
Trình tự và các thao tác vận hành cụ thể được ghi trong quy trình vận
hành lập riêng cho từng loại tua bin cụ thể. Nội dung quy trình vận hành có ba
phần:
-
Giới thiệu đặc điểm chung về cấu tạo thiết bị.
-
Đặc tính kỹ thuật của thiết bị.
-
Hướng dẫn vận hành.
Vận hành tua bin là thực hiện các cơng việc chính như sau:
-
Kiểm tra, chuẩn bị điều kiện vận hành.
-
Chuẩn bị khởi động.
-
Khởi động.
-
Kiểm sốt thiết bị khi làm việc bình thường.
-
Ngừng thiết bị.
Trong mục này chúng ta chỉ xem xét một số vấn đề cơ bản cần lưu ý khi
khởi động và ngừng thiết bị. Đây là hai giai đoạn quan trọng trong vận hành tua
bin vì lúc đó trạng thái cơ học và nhiệt của các bộ phận, chi tiết tua bin và đường
ống dẫn thay đổi rất lớn.
1.2.5. Giới thiệu sơ lược các hệ thống điều khiển lò hơi
Vận hành lò hơi là một công việc điều khiển phức tạp. Quá trình vận hành
lị hơi khơng tách khỏi q trình vận hành chung toàn nhà máy. Mỗi sự thay đổi
của một khâu nào đó trong nhà máy đều dẫn đến sự thay đổi chế độ vận hành của
lò hơi và đòi hỏi các thao tác điều khiển lò tương ứng. Quá trình vận hành sao
cho lị hơi làm việc ở trạng thái kinh tế nhất, an toàn nhất trong một thời gian
dài. Cụ thể trong q trình vận hành lị hơi không để xảy ra sự cố mà phải bảo
Page 19
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
đảm lị làm việc có hiệu suất cao nhất, tương ứng lượng than tiêu hao để sản xuất
1kg hơi là nhỏ nhất. Các thơng số của lị như: áp suất hơi trong bao hơi hoặc ở
ống góp hơi chung, nhiệt độ hơi quá nhiệt, mức nước trong bao hơi, hệ số khơng
khí thừa, hàm lượng muối trong nước cấp lị hơi … phải được giữ cố định và chỉ
được phép sai số trong một phạm vi giới hạn.
Đầu ra của hệ thống điều khiển lò hơi là điện năng, điện năng cung cấp
cho phụ tải điện. Chính vì vậy, cơng suất phát của nhà máy điện thay đổi phụ
thuộc vào phụ tải điện. Giá trị công suất này được yêu cầu từ trung tâm điều độ
quốc gia. Với hệ thống điều khiển lị hơi, cơng suất điện phát ra phụ thuộc vào
lưu lượng hơi đưa đến tuabin của máy phát, lưu lượng hơi dẫn vào tuabin lớn thì
sinh cơng càng lớn, do vậy điện năng sản xuất ra càng lớn (chuyển hóa năng
lượng từ nhiệt năng thành cơ năng và thành điện năng) làm cho công suất của
máy phát tăng lên và ngược lại. Vì vậy khi có u cầu thay đổi cơng suất phát
điện thì phải thay đổi lưu lượng hơi đưa vào tuabin, kéo theo đó là yêu cầu nhiệt
năng thay đổi, nhiên liệu đưa vào lò thay đổi và nước cấp vào bao hơi cũng phải
thay đổi để có được sản lượng hơi theo u cầu.
Lị hơi là một hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra.
-
Đầu vào của lò hơi bao gồm: nhiên liệu (than, dầu), khơng khí cung cấp
Oxy cho q trình cháy và lượng nước cấp xuống vào bao hơi.
-
Đầu ra của lò hơi là: động năng của dòng hơi quá nhiệt, lượng khói thải
và xỉ (tro) từ q trình cháy.
Như vậy năng lượng đưa vào lị là hóa năng có trong nhiên liệu, năng
lượng đầu ra của lò là động năng của dịng hơi q nhiệt (nước là mơi chất dẫn
truyền năng lượng). Đầu vào và ra có quan hệ mật thiết với nhau, với mỗi thay
đổi ở đầu ra thì phải điều khiển đầu vào (như nhiên liêu, khơng khí, nước..) để
đáp ứng được sản lượng hơi mong muốn.
Chính vì vậy mà hệ thống điều khiển lò hơi nhà máy nhiệt điện là một hệ
thống điều khiển có cấu trúc phức tạp với rất nhiều mạch vòng điều khiển khác
Page 20
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
nhau, giám sát và điều khiển hàng trăm tham số. Trong lị hơi các q trình điều
khiển: nhiên liệu, khơng khí, nước cấp, áp xuất... đều có tác động và ảnh hưởng
lẫn nhau, để đạt được hiệu suất tối đa, đáp ứng yêu cầu phụ tải thì cùng lúc phải
phối hợp điều khiển nhiều đối tượng với nhiều thông số. Điều này yêu cầu một
hệ thống điều khiển tổng thể. Tất cả các mạch vịng điều khiển đều có sự liên
quan ràng buộc lẫn nhau. Vì vậy điều khiển lị hơi là điều khiển phức tạp có
nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) có tác động xen kênh lớn. Cấu trúc chung
của hệ thống điều khiển lị hơi được trình bày như hình1.5 dưới:
Đầu ra
Đầu vào
Lị hơi
Điều khiển nước cấp
Nhiên liệu
Gió
u cầu
nhiên liệu
Điều khiển nhiệt độ lị hơi
Hình 1.5: Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển lò hơi
Việc tự động hóa lị hơi chủ yếu tập trung vào vấn đề điều khiển tự động
các q trình trong lị để đảm bảo cho lò làm việc ổn định và kinh tế nhất bằng
cách điều chỉnh năm quan hệ: phụ tải - nhiên liệu, phụ tải - khơng khí, phụ tải khói thải, phụ tải - mức nước bao hơi và phụ tải - xả liên tục.
Nhiệt độ hơi quá nhiệt phụ thuộc rất ít đến phụ tải lị hơi nên việc điều
chỉnh nó được thực hiện độc lập chủ yếu bằng các bộ giảm ôn hỗn hợp.
Từ những chỉ tiêu đặt ra, hệ thống điều khiển lò hơi phải được cấu thành
từ một số bộ điều chỉnh tương đối độc lập với nhau gồm:
Page 21
Lê Thành Trung
-
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt: Đảm bảo chất lượng hơi khi
phun vào tuabin đạt các thông số như: Độ khô, nhiệt độ, áp suất, lưu
lượng hơi…
-
Hệ thống điều chỉnh q trình cháy: Điều khiển quạt gió cấp khơng khí
vào lị và khói thốt, tạo điều kiện cháy tối ưu trong buồng đốt.
-
Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi: Điều khiển quá trình cấp nhiên liệu
(nghiền và phun than) vào trong buồng đốt cháy tạo nhiệt năng.
-
Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi: Điều khiển quá trình cấp nước
cho bao hơi, đảm bảo cân bằng giữa lượng hơi sinh ra, lưu lượng nước
cấp vào và nước đi xuống giàn sinh hơi.
1.3. Hệ thống điều khiển và giám sát nhà máy
Nhà máy được trang bị một hệ thống điều khiển và giám sát tích hợp
(ICMS) để thực hiện các chức năng: điều khiển và giám sát quá trình vận hành
của lị hơi tua bin và các thiết bị phụ, điều khiển phối hợp lò hơi tua bin, bảo vệ
lò hơi tua bin máy phát … điều khiển và giám sát các hệ thống phụ trợ thuộc
phần cân bằng nhà máy. Tất cả hệ thống được kết nối mạng LAN theo cấu trúc
thẳng (hình sao) thơng qua các Switch.
Cấu trúc của hệ thống điều khiển và giám sát tích hợp bao gồm các trạm
điều khiển được bố trí phân tán dựa trên cơ sở các bộ điều khiển loại vi xử lý,
các hệ thống điều khiển độc lập và sử dụng bộ điều khiển logic khả trình. Hệ
thống điều khiển giám sát (ICMS-intergrated control monitoring system) bao
gồm:
-
Hệ thống điều khiển giám sát khối tổ máy được gọi là UCMS - Unit
control monitoring system
-
Hệ thống điều khiển giám sát phần chung của nhà máy được gọi là SCM Sstation control monitor system
Các hệ thống hoạt động độc lập với khối tổ máy được điều khiển và giám
sát độc lập hoàn toàn từ các tủ điều khiển độc lập sử dụng bộ điều khiển logic
Page 22
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
khả trình PLC cụ thể như sau: hệ thống xử lý nước và khử khoáng và xử lý nước
thải, hệ thống cấp than, hệ thống xử lý tro xỉ, hệ thống xử lý hidro trạm khí nén,
hệ thống thổi bụi lị.
Tồn bộ việc điều khiển và giám sát q trình vận hành nhà máy được
thực hiện từ phòng điều khiển chính đặt tại nhà điều khiển trung tâm.
1.4. Tổng kết chương 1
Xuất phát từ việc tìm hiểu tổng quát đặc điểm của lò hơi trong nhà máy
nhiệt điện, ta thấy rằng hệ thống điều khiển lò hơi nhà máy nhiệt điện là một hệ
thống điều khiển có cấu trúc phức tạp với rất nhiều mạch vòng điều khiển khác
nhau, giám sát và điều khiển hàng trăm tham số. Chính vì vậy, luận án chỉ lựa
chọn đi sâu nghiên cứu một đối tượng là điều khiển mức nước cấp bình bao hơi,
từ đó nghiên cứu, tổng hợp và mơ hình hóa mơ phỏng bộ điều khiển thích hợp
đảm bảo ổn định mức nước cấp bình bao hơi nhằm góp phần nâng cao chất
lượng của hệ thống.
Page 23
Lê Thành Trung
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
CHƯƠNG II. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI
2.1.
Vai trò và nhiệm vụ của bộ điều khiển mức nước bao hơi
Hệ thống điều chỉnh cấp nước vào lị hơi đóng vai trị rất quan trọng trong
hệ thống điều chỉnh của lò hơi. Nhiệm vụ của hệ thống tự động điều chỉnh cấp
nước vào lò hơi là đảm bảo sự cân bằng vật chất giữa lưu lượng hơi ra khỏi lò
hơi và lưu lượng nước cấp vào lò. Trong q trình hoạt động của lị hơi, sự cân
bằng vật chất giữa lưu lượng hơi ra khỏi lò và lưu lượng nước cấp vào lò bị phá
vỡ do nhiều nguyên nhân. Một trong những nguyên nhân chính như sau: sự thay
đổi lưu lượng hơi cấp vào Tuabin, sự thay đổi nước cấp vào lò, sự thay đổi áp
suất bao hơi, sự thay đổi lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa, v.v…Những lý do
trên dẫn đến làm thay đổi mức nước trong bao hơi.
Mức nước tăng hoặc giảm quá mức quy định sẽ ảnh hưởng đến chất
lượng hơi hoặc sự cố lò hơi. Khi mức nước bao hơi tăng quá mức quy định sẽ
ảnh hưởng đến chất lượng hơi. Vì khi đó ảnh hưởng tới q trình phân ly hơi
trong bao hơi, các giọt ẩm sẽ theo hơi tràn sang bộ quá nhiệt, làm giảm quá trình
truyền nhiệt giữa hơi và khói, dẫn đến những tầng cuối của Tuabin sẽ có độ ẩm
cao, làm hỏng tầng cánh Tuabin. Cịn khi mức nước bao hơi thấp hơn mức yêu
cầu sẽ làm mất sự tuần hoàn tự nhiên của nước trong hệ thống. Trong khi đó
lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa vẫn khơng đổi dẫn đến có thể làm biến dạng
hoặc phình nổ các ống sinh hơi.
Chính vì vậy, hệ thống điều chỉnh tự động cấp nước bao hơi có vai trò rất
quan trọng trong hệ thống điều chỉnh của lò hơi. Có nhiệm vụ đảm bảo mức
nước bao hơi thay đổi trong một giới hạn cho phép hay nói cách khác là đảm bảo
sự cân bằng vật chất giữa lưu lượng hơi ra khỏi lò và lưu lượng nước cấp vào lò.
Page 24
