Nghiên cứu điều khiển bền vững các quá trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện

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

BÙI NGUYÊN THỌ

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG
CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT TRONG NHÀ MÁY
NHIỆT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội - 2008


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

BÙI NGUYÊN THỌ

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG
CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT TRONG NHÀ MÁY
NHIỆT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN HUY PHƯƠNG

Hà Nội - 2008


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN CÁC QUÁ TRÌNH NHIỆT TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN ........ 3
1.1. Nguồn năng lượng và các loại nhà máy điện ............................................. 3
1.2. Khái niệm và phân loại nhà máy nhiệt điện ............................................... 5
1.2.1. Nguyên lí làm việc của nhà máy nhiệt điện ...................................... 5
1.2.2. Phân loại nhà máy nhiệt điện .......................................................... 10
CHƯƠNG II
QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHỈNH TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN ............................. 14
2.1. Lò hơi trong nhà máy điện ....................................................................... 14
2.2. Hệ thống điều chỉnh q trình cháy của lị .............................................. 17
2.2.1. Khi lị làm việc theo sơ đồ khối với tuốc bin .................................. 17
2.2.2. Các phương pháp khi lò làm việc song song .................................. 18
2.3. Hệ thống điều chỉnh tự động nhiệt độ hơi quá nhiệt ................................ 20
2.3.1. Tầm quan trọng của việc bảo đảm ổn định nhiệt độ hơi quá nhiệt . 20
2.3.2. Các nguyên nhân làm thay đổi nhiệt độ hơi quá nhiệt .................... 21
2.3.3. Các sơ đồ điều chỉnh nhiệt độ quá nhiệt ......................................... 22
2.3.4. Điều chỉnh nhiệt độ quá nhiệt trung gian ........................................ 25
2.4. Hệ thống điều chỉnh cấp nước.................................................................. 28
2.5. Hệ thống điều chỉnh chất lượng nước ...................................................... 30

Cao học khóa 2006


2.5.1. Ảnh hưởng của chất lượng nước ...................................................... 30

2.5.2. Sơ đồ điều chỉnh xả nước ................................................................. 31
CHƯƠNG III
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN THƠNG SỐ BỀN VỮNG CỦA BỘ ĐIỀU
CHỈNH ........................................................................................................... 33
3.1. Vấn đề điều khiển quá trình nhiệt ............................................................ 33
3.2.Khái niệm và sự cần thiết dự trữ ổn định .................................................. 35
3.2.1. Dự trữ ổn định theo sự phân bố nghiệm phương trình đặc tính...... 36
3.2.2. Dự trữ ổn định theo chỉ số dao động M .......................................... 41
3.3. Tính tốn hiệu chỉnh tối ưu hệ một vịng ................................................. 44
3.3.1. Tính các hàm số tối ưu của các bộ điều chỉnh điển hình theo độ dao
động m. ............................................................................................................ 44
3.3.2. Tính các tham số tối ưu của các bộ điều chỉnh điển hình theo chỉ số
dao động M...................................................................................................... 48
3.4. Tính tốn hiệu chỉnh tối ưu hệ hai vòng .................................................. 53
3.4.1. Hệ hai vòng và ý nghĩa ứng dụng. .................................................. 53
3.4.2. Tính tốn tối ưu hệ hai vòng gồm hai bộ điều chỉnh. ..................... 53
3.4.3. Tính tốn tối ưu hệ hai vịng gồm bộ điều chỉnh và bộ vi phân. .... 56
3.5. Tính thơng số bền vững của bộ điều chỉnh theo phương pháp hàm
nhạy ................................................................................................................. 58
3.5.1. Khái niệm hàm nhạy ....................................................................... 58
3.5.2. Tính thơng số bộ điều chỉnh 1 mạch vòng theo hàm nhạy ............ 64
3.5.3. Tính thơng số bộ điều chỉnh 2 mạch vịng theo hàm nhạy
gradien ............................................................................................................. 66
Cao học khóa 2006


CHƯƠNG IV
TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG CHO ĐỐI TƯỢNG THỰC ......................... 70
4.1. Tính tham số bền vững theo độ dao động nghiệm m ............................... 73
4.2. Tính tham số bền vững theo độ dao động M .......................................... 76

4.3. Tính tham số theo hàm nhạy .................................................................... 77
4.4. Đặc tính quá độ của hệ thống ................................................................... 80
Kết luận ........................................................................................................... 86
Tài liệu tham khảo ........................................................................................... 87

Cao học khóa 2006


SUMMARY
This thesis have fours chapter studying about thermodynamic robust control
in thermal power plan.
Chapter I: Overview of electrical plan and thermal power plan. Studying
thermal power plan’s operating principle, since then it brings out significance
and complexity of thermodynamic cycle in thermal power plan. Finally,
proposing solution for robust control.
Chapter II: Introducing some control process in thermal power plan,
especially in steam boiler (the most important element) in the plan. Since then
it bring out complexity and difficulty in controlling this process.

Chapter III: Presented more details about the reason of using robust control
to control thermal process in thermal power plan. Presented method to find
parameters of sustainable or optimal according to the root variation m and
variation M with one round and two rounds. Since then see the difficulty and
complexity when calculated by this method. Proposed methods of finding
sustainable parameters under sensitive function. Defined and method to find
the sustainable parameters under sensitive function with one round and two
rounds.
Chapter IV: Verified and calculated according to methods in chapter III to
adjustment pressure system (adjust the additional charge) of furnace 2, line 1
in Phả Lại I thermal power plan. From then see the advantages of the method

which used sensitive function compared with other methods. Thence go to the
general conclusion of this thesis.

Cao học khóa 2006


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này nghiên cứu về vấn đề điều khiển bền vững các quá trình nhiệt
trong nhà máy nhiệt điện gồm 4 chương:
Chương I: Giới thiệu tổng quan về nhà máy điện nói chung và nhà máy nhiệt
điện nói riêng. Tìm hiểu ngun lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện, qua đó
thấy được tầm quan trọng và phức tạp trong hoạt động của các chu trình nhiệt
ở nhà máy nhiệt điện. Từ đó đề xuất giải pháp điều khiển bền vững chúng.
Chương II: Giới thiệu một số quá trình điều chỉnh trong nhà máy nhiệt điện
chủ yếu là trong lò hơi (thành phần quan trọng nhất) của nhà máy. Từ đó thấy
được tính phức tạp và khó khăn trong việc điều khiển các q trình đó.
Chương III: Nói kỹ hơn về vấn đề tại sao lại chọn điều khiển bền vững để
điều khiển các quá trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện. Trình bày phương
pháp tìm thông số bền vững hay tối ưu theo độ dao động nghiệm m và theo độ
dao động M đối với hệ một vịng và hai vịng. Từ đó thấy được sự khó khăn
và phức tạp khi tính tốn theo các phương pháp này. Đề xuất phương pháp
tìm tham số bền vững theo hàm nhạy. Định nghĩa và cách tính tham số bền
vững theo hàm nhạy đối với hệ một vòng và hai vịng.
Chương IV: Kiểm chứng và tính tốn theo các phương pháp ở chương III đối
với hệ thống điều chỉnh áp suất (điều chỉnh phụ tải) của lò số 2 thuộc dây
chuyền 1 ở nhà máy nhiệt điện Phả Lại I. Qua đó thấy được tính ưu việt của
phương pháp tính theo hàm nhạy so với các phương pháp cịn lại. Từ đó đi
đến kết luận chung của tập luận văn này.

Cao học khóa 2006

-1-

MỞ ĐẦU
Năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện hiện đang trở nên hết sức bức
súc trên phạm vi toàn thế giới, khi mà các nguồn năng lượng sơ cấp để sản
xuất ra điện là những nguồn năng lượng hữu cơ có hạn.
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế thì nhu cầu sử dụng năng lượng,
đặc biệt là năng lượng điện ngày càng tăng. Ta có thể đánh giá sự phát triển
của một đất nước thơng qua tình hình sử dụng và phát triển của điện năng.
Thơng thường với mỗi quốc gia hiện nay điện năng bao giờ cũng phải có
bước tiến trước so với sự phát triển của nền kinh tế. Vì hệ thống điện năng
gắn liền với tất cả các lĩnh vực công nghiệp, sinh hoạt hàng ngày, thông tin
liên lạc, giao thông vận tải…bằng các thiết bị điện của ngành ấy. Do đó vấn
đề sản xuất điều khiển và sử dụng năng lượng đang là mối quan tâm của nhiều
nước trên thế giới.
Điện năng của nước ta được sản xuất chủ yếu từ các nhà máy nhiệt điện
và thuỷ điện. Do thời tiết và khí hậu ngày càng trở nên khắc nghiệt nên vào
mùa khô tình trạng thiếu nước trở nên trầm trọng hơn. Thiếu nước nên các
nhà máy thuỷ điện phát công suất thấp, các nhà máy nhiệt điện trong hệ thống
phải chịu tải tối đa. Mà sự hoạt động của nhà máy nhiệt điện chủ yếu do các
quá trình nhiệt quyết định. Các quá trình nhiệt thay đổi liên tục theo tải, nhiễu.
Với một bộ điều khiển có thể làm cho hệ thống ổn định với nhiễu này nhưng
lại không ổn định với nhiễu khác. Ta có thể thay đổi bộ điều khiển để phù hợp
với nhiễu nhưng chế độ hoạt động của các quá trình nhiệt thay đổi theo từng
tháng, từng ngày, từng giờ, từng phút thậm chí là từng giây nên việc thay đổi
bộ điều khiển là không khả thi. Hơn nữa tính chất của đối tượng liên tục bị
thay đổi theo thời gian. Vấn đề đặt ra là với cùng một bộ điều khiển “phải”
làm cho hệ thống luôn ổn định với bất kỳ sự thay đổi nào của nhiễu trong một

Cao học khóa 2006


-2-

phạm vi cho trước, tức là duy trì sự hoạt động ổn định của các quá trình nhiệt,
nhà máy nhiệt điện. Vì vậy trong bản thuyết minh này tơi đi nghiên cứu về
vấn đề điều khiển bền vững các quá trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện.
Nội dung của bản thuyết minh gồm 4 chương:
Chương I: Tổng quan quá trình nhiệt trong nhà máy điện.
Chương II: Quá trình điều chỉnh trong nhà máy điện.
Chương III: Phương pháp tính tốn thơng số bền vững của bộ điều chỉnh.
Chương IV: Tính tốn và mô phỏng cho đối tượng thực.
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo - TS. Nguyễn Huy Phương,
người đã tận tình hướng dẫn tơi, tiếp cận với nghiên cứu khoa học và hoàn
thành luận văn này. Kiến thức của thầy là nền tảng cho nội dung được đề cập
trong luận văn của tôi.
Tôi cũng xin cảm ơn người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên
và đóng góp ý kiến cho tơi trong q trình nghiên cứu, cảm ơn các tác giả đã
cung cấp thông tin tham khảo giúp tơi hồn thành nghiên cứu của mình.

Người thực hiện

Bùi Nguyên Thọ

Cao học khóa 2006


-3-

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
1.1. Nguồn năng lượng và các loại nhà máy điện.
Để sản xuất điện năng ta phải sử dụng các nguồn năng lượng thiên
nhiên. Tùy theo loại năng lượng ta chia ra các loại nhà máy điện chính: nhà
máy nhiệt điện, nhà máy thủy điện và nhà máy điện nguyên tử. Hiện nay phổ
biến nhất là các nhà máy nhiệt điện, ở đó nhiệt năng thoát ra khi đốt các nhiên
liệu hữu cơ (than, dầu, khí v.v…) được biến đổi thành điện năng. Nhà máy
nhiệt điện sản xuất ra khoảng 69% điện năng của thế giới.

15%
16%
69%

Nhiệt điện
Nguyên tử
Thủy điện

Hình 1.1: Phần trăm về sản lượng điện năng của các nhà máy điện.
Hiện nay nhu cầu nhiên liệu lỏng trong công nghiệp, giao thông vận tải
và sinh hoạt ngày càng tăng. Do đó người ta hạn chế dùng nhiên liệu lỏng cho
nhà máy nhiệt điện. Nhiên liệu rắn và khí trở thành những nhiên liệu hữu cơ
chính của nhà máy nhiệt điện.
Nước ta vẫn có nguồn nhiên liệu truyền thống là than và hiện nay cơng
nghiệp dầu mỏ bắt đầu hình thành và phát triển, sản lượng đạt hàng triệu tấn
/năm và có rất nhiều triển vọng. Hiện nay nhà máy nhiệt điện đốt than lớn
nhất nước ta là Phả Lại 1&2 với công suất 1040 MW và nhà máy nhiệt điện
Cao học khóa 2006

-4-

đốt dầu khí lớn nhất là Phú Mỹ 1&2 với công suất hơn 1000 MW. Trong một
tương lai gần ta sẽ mở rộng nhà máy Phú Mỹ và đặt thêm một số nhà máy
nhiệt điện nữa.
Hiện nay các nhà máy điện nguyên tử đang phát triển mạnh trên thế
giới. Đó là nhà máy sử dụng năng lượng phân chia hạt nhân nguyên tử (nhiên
liệu hạt nhân) để biến thành điện. Tính đến năm 2000 trên thế giới có 432 lị
phản ứng hạt nhân phát điện với tổng công suất 362 triệu tấn kW, sản xuất
khoảng 16% lượng điện toàn thế giới.
Nhà máy thủy điện là loại nhà máy điện sử dụng thế năng của dịng
nước. Nó sản xuất khoảng 15% lượng điện năng của thế giới. Sự biến đổi
năng lượng ở nhà máy thủy điện so với nhà máy nhiệt điện có lợi thế là nguồn
năng lượng là nước sẽ không bị cạn kiệt như nhiên liệu hữu cơ mà luôn được
bảo tồn. Tuy nhiên việc phát triển thêm các nhà máy thủy điện cũng dần bị
hạn chế bởi ở nhiều nơi trên thế giới các nguồn nước hầu như đã được sử
dụng hết. Hơn nữa các nhà máy thủy điện đòi hỏi chi phi đầu tư lớn để xây
dựng các đập chắn nước cao nhưng chi phí vận hành lại nhỏ, giá thành điện
năng rẻ nhất. Hiện nay nhà máy thủy điện lớn nhất ở nước ta là Hòa Bình
(cơng suất 1920 MW). Về thủy điện chúng ta có tiềm năng rất lớn và trước
mắt đang chuẩn bị xây dựng nhà máy thủy điện Sơn La.
Với các nhà máy thuỷ điện như Hồ Bình, Thác Bà, Trị An…, do đặc
điểm thuỷ văn của sơng ngịi nước ta nên điện năng phát ra của các nhà máy
thuỷ điện không được đều:
Lượng điện phát trong 5 tháng mùa mưa chiếm 60% lượng điện năng
trung bình năm của nhà máy. Trong các tháng mùa khơ cơng suất phát trung
bình chỉ đạt 30 ÷ 35 % công suất đặt của nhà máy.
Vào các tháng cuối mùa khô, đầu mùa lũ công suất khả dụng của nhà
máy thuỷ điện bị giảm nhiều do mức nước hồ giảm thấp. Vì vậy, hiện nay, hệ
Cao học khóa 2006

-5-

thống điện Việt Nam thường xảy ra tình trạng thiếu điện vào các tháng mùa
khô và thiếu công suất vào các tháng đầu mùa lũ.
Với các nhà máy nhiệt điện, chúng có ưu điểm là chi phí đầu tư xây
dựng thấp, thời gian xây dựng ngắn, khi vận hành không phụ thuộc nhiều vào
điều kiện của thiên nhiên nên các nhà máy nhiệt điện được xây dựng nhiều tại
nước ta nói riêng và trên thế giới nói chung. Vì vậy điện năng do các nhà máy
nhiệt điện sản xuất ra vẫn đóng vai trị chủ đạo trong hệ thống điện Việt Nam.
Nhiệt điện nước ta hiện nay chủ yếu được sản xuất từ than đá và khí thiên
nhiên. Trong đó các nhà máy nhiệt điện phía Bắc như Phả Lại - cơng suất
1040 MW, ng Bí - cơng suất 710MW…đều dùng than của các mỏ than tại
Quảng Ninh, các nhà máy trong miền Nam như Phú Mỹ-công suất hơn
1000MW, Bà Rịa - cơng suất 210MW…sử dụng khí đốt lấy từ mỏ Bạch Hổ.
Ở phần sau ta sẽ đi tìm hiểu nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt
điện, từ đó phân loại các nhà máy nhiệt điện.
1.2. Khái niệm và phân loại nhà máy nhiệt điện.
1.2.1. Nguyên lí làm việc của nhà máy nhiệt điện.
Nhà máy nhiệt điện thực hiện việc biến đổi nhiệt năng của nhiên liệu thành cơ
năng rồi điện năng, q trình biến đổi đó được thực hiện nhờ tiến hành một số
quá trình liên tục (một chu trình) trong một số thiết bị của nhà máy.
Quy trình cơng nghệ biến đổi năng lượng có dạng:
Nhiên liệu

Nhiệt

Cơ năng

Điện

Sơ đồ thiết bị và đồ thị T - s của chu trình nhà máy nhiệt điện được trình bày
trên hình 1.2
Nước ngưng trong bình ngưng IV (ở trạng thái 2’ trên đồ thị) có thơng số p2,
t2, i2, được bơm V bơm vào thiết bị sinh hơi I, áp suất tăng từ p2 đến p1 (quá
trình 2’ - 3). Trong thiết bị sinh hơi, nước trong các ống sinh hơi nhận nhiệt
tỏa ra từ quá trình cháy, nhiệt độ tăng lên đến sơi (q trình 3 - 4), hóa hơi
Cao học khóa 2006


-6-

(quá trình 4 - 5) và thành hơi quá nhiệt trong bộ quá nhiệt II (quá trình 5 - 1).
Quá trình 3 - 4 - 5 - 1 là quá trình hóa hơi đẳng áp ở áp suất p1 = const. Hơi ra
khỏi bộ quá nhiệt II (ở trạng thái 1) có thơng số p1, t1 đi vào tuốc bin III, ở đây
hơi dãn nở đoạn nhiệt đến trạng thái 2, biến nhiệt năng thành cơ năng (quá
trình 1 - 2) và sinh công trong tuốc bin. Hơi ra khỏi tuốc bin có thơng số p2, t2,
đi vào bình ngưng IV, ngưng tụ thành nước (quá trình 2 - 2’), rồi lại được
bơm V bơm trở về lị. Qúa trình nén đoạn nhiệt trong bơm có thể xem là q
trình nén đẳng tích vì nước khơng chịu nén (thể tích ít thay đổi).

Hình 1.2: Sơ đồ và đồ thị T - s của chu trình nhà máy nhiệt điện
Cụ thể quá trình sản xuất điện năng trong nhà máy nhiệt điện dùng nhiên liệu
than đá và tuốc bin là loại tuốc bin ngưng hơi như Phả Lại, ng Bí, Ninh
Bình là: Than đá được khai thác tại mỏ theo đường sông hoặc đường sắt tập
kết tại kho và được vận chuyển đến phân xưởng lò bằng hệ thống các băng
tải. Tại phân xưởng lị than được đập vụn, sấy khơ rồi nghiền mịn bằng hệ
thống các máy nghiền. Máy nghiền thường dùng là loại máy nghiền bi, việc
nghiền và sấy than thực hiện trong thùng nghiền than bột theo nguyên tắc va

đập. Hỗn hợp bột than và gió sấy ra khỏi thùng nghiền là khoảng 130 oC được
quạt máy nghiền hút về, phân ly thô tại đây những hạt than thơ hơn tiêu chuẩn
theo đường hồn ngun trở về máy nghiền để nghiền lại. Sau khi ra khỏi
phân ly thô hỗn hợp than bột khơng khí được đưa vào phân ly mịn. Tại đây
Cao học khóa 2006


-7-

than bột được tách ra khỏi khơng khí theo ngun tắc ly tâm và đưa vào phễu
than bột hoặc vào vít truyền than bột để đưa ra lị khác. Khơng khí ra khỏi
phân ly mịn cịn chứa 10 ÷ 15% than quá mịn sẽ được quạt máy nghiền đẩy
vào các vịi đốt phụ đặt ở 4 góc lị. Than bột được các máy cấp than bột thổi
vào buồng lửa qua các vòi đốt với nhiệt độ trên 400 oC. Các vịi đốt được bố
trí xung quanh buồng đốt, thơng thường có từ bốn đến tám vịi đốt. Trong
buồng lửa than được đốt độc lập hoặc được đốt kèm với dầu Diezen lúc khởi
động lò. Than đá được đốt cháy, nhiệt năng toả ra đốt nóng dịng khơng khí,
cung cấp nhiệt năng cho lị hơi biến nước thành hơi.
Giảm ơn

Q nhiệt
cấp 1

Q nhiệt
cấp 2

Tuốc bin

Xả khí

Máy phát
Bình ngưng

Lị hơi

Bình gia
nhiệt cao
áp

Bơm hơi

Van cấp nước
Xêro cấp nước
Bình khử khí

Bình gia
nhiệt hạ áp

Hình 1.3: Chu trình nước trong nhà máy nhiệt điện
Nước tuần hồn trong lị hơi – tuốc bin được lấy từ các con sông và được xử
lý rất kỹ, gần như nước tinh khiết, trước khi cấp cho bình chứa nước ngưng.
Nước từ bình ngưng được bơm qua các bình gia nhiệt hạ áp. Tại đây nước
được nâng nhiệt độ lên bởi hơi nước nóng lấy ra từ các cửa trích hơi của tuốc
Cao học khóa 2006


-8-

bin. Sau khi đi qua bình gia nhiệt hạ áp nước ngưng được đưa lên bình khử
khí để khử hết các bọt khí có trong nước để tránh ăn mịn kim loại. Nước sau

khi được khử khí được các bơm đưa tới bình gia nhiệt cao áp tại đây nước
ngưng tiếp tục được gia nhiệt bởi các hơi nước được trích ra từ các cửa trích
hơi ở xy-lanh cao áp của tuốc bin. Sau khi được gia nhiệt ở cao áp nước được
đưa qua các bộ hâm nước ở đuôi lò rồi đưa vào bao hơi với nhiệt độ khoảng
261 oC. Nước trong bao hơi theo vịng tuần hồn tự nhiên chảy xuống các dàn
ống sinh hơi được bố trí trong tường buồng đốt. Tại đây nước được hoá hơi và
quay trở lại bao hơi với nhiệt độ khoảng 360 oC. Trong bao hơi phía trên là
hơi bão hồ ẩm, phía dưới là nước ngưng. Hơi bão hồ ẩm trong bao hơi
không được đưa ngay vào tuốc bin mà được đưa qua bộ sấy hơi, tại đây hơi
được sấy khô thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ khoảng 550 oC và áp suất 100at
rồi được đưa vào phần cao áp của tuốc bin. Hơi sau phần cao áp do bị mất
nhiệt được đưa lại lò hơi để gia nhiệt, sau đó hơi này được đưa vào phần trung
áp của tuốc bin, sau đó đưa sang phần hạ áp.
Dàn ống
sinh hơi

Lị hơi

Khe hở khí
Lớp vật liệu gia
cố chịu nhiệt

Hình 1.4: Cấu trúc tường lị hơi
Cao học khóa 2006


-9-

Tại tuốc bin động năng của dòng hơi được chuyển thành cơ năng quay trục hệ
thống tuốc bin-máy phát, máy phát được kích từ do đó tạo ra điện năng. Điện

năng sản xuất ra được hoà vào lưới điện và một phần được sử dụng làm điện
tự dùng cho nhà máy. Hơi sau khi sinh công ở tầng cánh của tuốc bin, ra khỏi
phần hạ áp được ngưng tụ thành nước ở bình ngưng.
Như vậy nhiệt năng của than đá, dầu Diezen đã biến đổi thành cơ năng
và điện năng, cịn hơi nước là mơi chất được biến đổi theo vịng tuần hồn
kín. Nước ở đây là mơi chất trung gian để chuyển nhiệt năng thành cơ năng và
điện năng. Nước làm mát bình ngưng được lấy từ sơng qua trạm bơm tuần
hồn, nước làm mát sau đó được đưa ra hệ thống kênh thải và quay lại sơng.
Bình ngưng có hệ thống dàn ống cho nước làm mát chảy qua, hơi sẽ bị lấy
nhiệt và ngưng tụ thành nước để tiếp tục một vịng tuần hồn mới.

Hình 1.5: Thiết bị chủ yếu của nhà máy nhiệt điện
1. Băng tải than; 2. Lò đốt; 3. Máy phun bụi nước; 4. Nồi hơi
5. Ống thải xỉ than; 6. Ống đốt nóng khơng khí; 7. Lọc bụi tĩnh điện
8. Ống khói; 9. Tuốc bin; 10. Bình ngưng; 11. Máy biến áp;
12. Tháp làm mát; 13. Máy phát; 14. Đường điện cao áp

Cao học khóa 2006


- 10 -

1.2.2. Phân loại nhà máy nhiệt điện.
Có nhiều cách phân loại. Sau đây là một số cách phân loại:
a) Căn cứ nhiên liệu sử dụng ta có:
- Nhà máy nhiệt điện dùng than
- Nhà máy nhiệt điện dùng dầu
- Nhà máy nhiệt điện dùng khí đốt
- Nhà máy nhiệt điện hạt nhân
- Nhà máy nhiệt điện dùng các nguồn nhiệt khác: nhiệt mặt trời,

địa nhiệt...
b) Căn cứ vào mơi chất ta có:
- Nhà máy nhiệt điện dùng tuốc bin hơi
- Nhà máy nhiệt điện dùng tuốc bin khí
- Nhà máy nhiệt điện dùng động cơ đốt trong
- Nhà máy nhiệt điện từ thuỷ động
c) Căn cứ vào năng lượng sản xuất ra ta có:
- Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi chỉ sản xuất điện
- Trung tâm nhiệt điện sản xuất điện và nhiệt gồm 2 loại:
+ Trung tâm nhiệt điện dùng tuốc bin hơi
+ Trung tâm nhiệt điện dùng tuốc bin khí.
Qua trên ta thấy trong nhà máy nhiệt điện quá trình nhiệt là quá trình quan
trọng quyết định sự hoạt động của nhà máy. Và chu trình nhiệt có những đặc
điểm sau:
- Đối tượng liên tục: quá trình sản xuất điện là quá trình sản xuất liên tục,
các tham số là các hàm phụ thuộc liên tục theo thời gian…
- Đối tượng phức tạp: Có nhiều thơng số hình thành nhiều kênh đan chéo
nhau…
- Chế độ và môi trường khắc nghiệt: áp suất lớn, nhiệt độ cao, bụi…
Cao học khóa 2006


- 11 -

- Nhiễu loạn tác động: chịu nhiều tác động của nhiễu như độ mịn của
than, phụ tải…
Sau đây là những dẫn chứng cho những đặc điểm kể trên
Như đã biết trong bất kỳ một ngành công nghiệp nào khác cũng đều có
khả năng tích trữ sản phẩm tại kho. Nhà máy làm việc theo phương pháp dây
truyền cũng có thể có một số lượng dự trữ nhất định đối với một số loại chi

tiết. Nhờ thế mà giảm được sự phụ thuộc của các phân xưởng lẫn nhau. Trong
hệ thống năng lượng thì hồn tồn khác, ở đây khơng thể có một dạng dự trữ,
hoặc kho tàng nào để tích luỹ năng lượng, vì vậy sự phụ thuộc lẫn nhau giữa
các khâu sản xuất rất cao, cụ thể là sự thay đổi trạng thái của các phần tử
trong mạng truyền tải sẽ đồng thời ảnh hưởng đến trạng thái chuyển hoá năng
lượng trong máy phát điện, máy biến áp và trong các thiết bị dùng điện của
các hộ tiêu thụ và ngược lại.
Khơng những là một q trình liên tục mà các chu trình nhiệt ở đây cịn
là một quá trình phức tạp. Sự phức tạp thể hiện ở chỗ có nhiều đối tượng tham
gia, nhiều kênh tương tác đan chéo nhau.
- Như khi vận hành phải điều chỉnh lượng hơi phù hợp với nhu cầu. Nếu nhu
cầu tăng thì áp suất hơi giảm, ngược lại khi nhu cầu giảm thì áp suất tăng, cần
điều chỉnh kịp thời. Để điều chỉnh lưu lượng hơi cần điều chỉnh lượng nhiên
liệu và khơng khí cung cấp. Các tín hiệu điều chỉnh là lưu lượng hơi và tốc độ
thay đổi áp suất hơi. Các tín hiệu này sẽ tác động đến bộ điều chỉnh nhiên liệu
và khơng khí đưa vào lị.
- Khi yêu cầu về lưu lượng hơi thay đổi và thơng số hơi thay đổi thì u cầu
về khơng khí và nhiên liệu cũng thay đổi. Mỗi loại nhiên liệu, mỗi cách đốt
u cầu hệ số khơng khí thừa thích hợp thể hiện qua thành phần CO2, SO2
hoặc O2 có trong khói để điều chỉnh lượng khơng khí vào lị phù hợp với
nhiên liệu.
Cao học khóa 2006


- 12 -

- Khi lưu lượng hơi thay đổi, lượng nhiên liệu và khơng khí thay đổi thì nhiệt
độ hơi quá nhiệt cũng thay đổi. Để điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt, thường
điều chỉnh nhiệt thải ra trong bộ giảm ơn. Để điều chỉnh thường lấy tín hiệu
là: tốc độ thay đổi nhiệt độ hơi hay nhiệt độ hơi sau bộ quá nhiệt.

Ta cũng dễ nhận thấy các đối tượng ở đây làm việc trong chế độ và môi
trường khắc nghiệt: ngồi nhiệt độ và áp suất cao cịn có yếu tố bụi ảnh
hưởng. Như tro và xỉ khi đốt nhiên liệu sẽ có một phần rơi xuống phễu xỉ của
lò và một phần (khi đốt nhiên liệu trong buồng lửa phun kiểu thải xỉ khơ thì sẽ
là phần lớn) bay theo dịng khói ra ngồi.
- Do kích thước nhỏ (phần lớn < 50 µm), trọng lượng riêng nhỏ nên tro rất dễ
bay theo khói. Nếu khơng đặt thiết bị khử bụi thì tro bay vào bầu khí quyển
khơng khí sẽ làm mất vệ sinh khu vực xung quanh nhà máy điện, ngồi ra bụi
sẽ làm hỏng nhanh chóng quạt khói nếu nó lẫn nhiều trong khói.
- Do đó sau lị hơi (ở trước quạt khói) theo đường khói phải đặt thiết bị khử
tro bụi gọi là bộ khử bụi. Ngồi ra để phân tán lượng khói rộng ra nhằm đảm
bảo điều khiển vệ sinh, các ống khói cũng phải có độ cao nhất định.
Do là q trình tự động trong cơng nghiệp nên các q trình nhiệt cũng
chịu ảnh hưởng của các tác động nhiễu không biết trước. Những nhiễu (yếu
tố) tác động lên đối tượng theo kênh điều chỉnh là những chấn động bên
trong. Còn lại là những chấn động bên ngoài, tác động trực tiếp từ mơi trường
xung quanh. Ví dụ trong hệ thống điều chỉnh áp lực sau lò hơi. Khi áp lực hơi
thay đổi bộ điều chỉnh nhận được tín hiệu đó và tác động lên cơ cấu điều
chỉnh thay đổi lượng nhiên liệu vào buồng đốt. Đây là tác động điều chỉnh.
Những yếu tố ảnh hưởng như chất lượng than, độ mịn, độ ẩm …không được
xử lý trong bộ điều chỉnh nhưng tác động vào đối tượng theo cùng kênh với
tác động điều chỉnh làm thay đổi nhiệt lượng tỏa ra trong buồng đốt dẫn đến
thay đổi độ sinh hơi và áp suất trong lò hơi. Những yếu tố này gọi là chấn
Cao học khóa 2006


- 13 -

động bên trong. Còn những yếu tố làm thay đổi áp suất do nhu cầu hộ tiêu thụ
là những chấn động bên ngoài.

- Trong hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi, tác động điều chỉnh là độ
đóng mở van điều chỉnh để thay đổi lưu lượng nước vào. Chấn động bên
trong là sự thay đổi áp suất đường nước vào trước van điều chỉnh. Chấn động
bên ngoài là sự thay đổi lưu lượng hơi do yêu cầu hộ tiêu thụ.
- Trong hệ điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt, đại lượng ra là nhiệt độ hơi quá
nhiệt. Khi nhiệt độ hơi quá nhiệt thay đổi, bộ điều chỉnh nhận tín hiệu đó và
tác động lên van điều chỉnh làm thay đổi lượng nước làm mát đi vào bình
giảm ơn. Tác động điều chỉnh là độ đóng mở van điều chỉnh. Chấn động bên
trong là sự thay đổi nhiệt độ và áp suất của nước làm mát. Những yếu tố làm
ảnh hưởng đến nhiệt độ hơi quá nhiệt, ví dụ như: thay đổi lưu lượng hơi, nhiệt
độ nước cấp, nhiệt lượng tỏa ra trong buồng đốt, sự thay đổi hệ số truyền
nhiệt v.v…là các chấn động bên ngoài.
Qua trên ta thấy chế độ hoạt động của các quá trình nhiệt thay đổi liên
tục theo tải, theo nhiễu. Nên với một bộ điều khiển có thể làm cho hệ thống
ổn định với nhiễu này nhưng lại không ổn định với nhiễu khác. Ta có thể thay
đổi bộ điều khiển để phù hợp với nhiễu nhưng chế độ hoạt động của các quá
trình nhiệt thay đổi theo từng tháng, từng ngày, từng giờ, từng phút thậm chí
là từng giây nên việc thay đổi bộ điều khiển là không khả thi. Hơn nữa tính
chất của đối tượng liên tục bị thay đổi theo thời gian. Vấn đề đặt ra là với
cùng một bộ điều khiển “phải” làm cho hệ thống luôn ổn định với bất kỳ sự
thay đổi nào của nhiễu và tính chất của đối tượng trong một phạm vi cho
trước. Do đó ta đi vào tìm hiểu vấn đề điều khiển bền vững các quá trình nhiệt
trong nhà máy nhiệt điện.

Cao học khóa 2006


- 14 -

CHƯƠNG II

QUÁ TRÌNH ĐIỀU CHỈNH TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN
2.1. Lò hơi trong nhà máy điện.
Lò hơi là thiết bị có mặt gần như trong tất cả các xí nghiệp, nhà máy, để sản
xuất hơi nước phục vụ cho quá trình sản xuất điện năng trong nhà máy điện.
Tại đó xảy ra q trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa ra sẽ biến nước
thành hơi, biến năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt năng của dòng hơi để
làm quay tuốc bin. Trên hình 2.1 trình bày thành phần của lị hơi.

Hình 2.1: Thành phần của lị hơi
1. Buồng đốt; 2. Giàn ống sinh hơi; 3. Ống nước tuần hoàn;
4. Bao hơi; 5,6. Bộ hơi quá nhiệt; 7. Bộ giảm ôn;
8. Bộ hâm nước cấp; 9. Bộ sấy không khí
Cao học khóa 2006


- 15 -

Nhiên liệu vào buồng đốt số 1 tạo thành hỗn hợp cháy và đốt cháy trong
buồng đốt. Nhiệt lượng tỏa ra khi nhiên liệu cháy truyền cho nước trong dàn
ống sinh hơi 2, nước tăng dần nhiệt độ đến sơi, biến thành hơi bão hịa. Hơi
bão hịa theo ống sinh hơi 2 đi lên, tập trung vào bao hơi 4. Trong bao hơi 4,
hơi được phân li ra khỏi nước, nước tiếp tục đi xuống theo ống 3 rồi lại sang
ống sinh hơi 2 để tiếp tục nhận nhiệt. Hơi bão hòa từ bao hơi 4 sẽ đi vào ống
xoắn của bộ quá nhiệt 5, 6. Ở bộ quá nhiệt hơi bão hòa chuyển động trong các
ống xoắn sẽ nhận nhiệt từ khói nóng chuyển động phía ngồi ống để biến
thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao hơn và đi vào ống góp để sang tuốc bin
hơi và biến đổi nhiệt năng thành cơ năng làm quay tuốc bin.
Bộ hâm nước 8 có nhiệm vụ gia nhiệt cho nước để nâng nhiệt độ của nước từ
nhiệt độ (ra khỏi bình gia nhiệt) lên đến nhiệt độ sơi và cấp vào bao hơi. Đây
là giai đoạn đầu tiên của quá trình cấp nhiệt cho nước để thực hiện q trình

hóa hơi đẳng áp nước trong lị.
Khơng khí lạnh từ ngồi trời được quạt gió hút vào và thổi qua bộ sấy khơng
khí 9. Ở bộ sấy khơng khí nhận nhiệt của khói, nhiệt độ được nâng từ nhiệt độ
môi trường đến nhiệt độ yêu cầu và được đưa vào vịi phun để cung cấp cho
q trình đốt cháy nhiên liệu
Có thể nói lị hơi là trái tim của nhà máy điện. Lò hơi là đối tượng phức tạp vì
có nhiều thơng số vào và thơng số ra, hình thành nhiều kênh đan chéo nhau.
Đối với lò hơi người ta quan tâm đến bốn tín hiệu ra chính là: lưu
lượng, áp suất, nhiệt độ hơi và áp suất buồng lửa. Tác động điều chỉnh để thay
đổi lưu lượng hơi là vị trí van điều chỉnh nước cấp, nhưng tác động điều chỉnh
van cấp không chỉ làm thay đổi lưu lượng hơi mà còn thay đổi nhiệt độ hơi
quá nhiệt qua sự thay đổi chế độ truyền nhiệt trong buồng lửa và trong bình
giảm ơn. Tác động điều chỉnh đối với áp suất hơi là lượng nhiên liệu vào
buồng đốt. Lượng nhiên liệu vào buồng đốt không chỉ làm thay đổi áp suất
Cao học khóa 2006


- 16 -

hơi, tức lượng hơi sinh ra, do thay đổi nhiệt lượng tỏa ra trong buồng đốt mà
qua đó còn làm thay đổi nhiệt độ hơi quá nhiệt, đồng thời lưu lượng hơi và
lượng sản phẩm cháy sinh ra trong buồng lửa. Kết quả làm thay đổi áp suất
hay độ chân không trong buồng đốt. Tác động điều chỉnh làm thay đổi áp suất
buồng lửa là lượng khí nóng của phần đi lị. Nó làm thay đổi chế độ truyền
nhiệt trong các dàn ống sinh hơi, dàn ống hâm nước, dàn ống hơi quá nhiệt.
Do vậy cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ hơi quá nhiệt, lưu lượng và áp suất hơi.
Chất lượng (nhiệt trị và độ mịn than bột) nhiên liệu có thể làm thay đổi
đồng thời áp suất, lưu lượng hơi quá nhiệt và cả áp suất buồng lửa.

Hình 2.2: Tác động đan chéo nhau trong lị hơi

Do đó để đơn giản hóa vấn đề người ta tách chúng ra thành những kênh
chính. Cụ thể có các q trình:
- Lưu lượng nước cấp (Gnc)

=> Mức nước bao hơi (Hb)

- Lưu lượng nước giảm ôn (Ggo)=> Nhiệt độ hơi quá nhiệt (tqn)
- Lượng nhiên liệu (BT)

=> Lưu lượng hơi quá nhiệt (Gqn)

- Lưu lượng nước xả đáy bao hơi (Gxd)=> Nacl …

Cao học khóa 2006


- 17 -

Và căn cứ vào các kênh tác dụng chính này ta xây dựng các vịng điều chỉnh
để giữ ổn định các thông số điều chỉnh bằng hệ thống điều chỉnh một vòng và
những yếu tố còn lại ảnh hưởng ta coi là nhiễu (nhiễu trong và nhiễu ngoài).
- Trong lị hơi có bao hơi và các hệ thống điều khiển sau:
o Hệ thống điều chỉnh quá trình cháy
o Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ quá nhiệt
o Hệ thống điều chỉnh nước cấp
o Hệ thống điều chỉnh chất lượng nước của lị
2.2. Hệ thống điều chỉnh q trình cháy của lò.
* Nhiệm vụ của hệ thống điều chỉnh quá trình cháy:
- Đảm bảo thơng số hơi ổn định, đặc biệt là áp suất. Áp suất ổn định
chứng tỏ lượng hơi tiêu thụ và lượng hơi sinh ra là cân bằng nhau. Khi

áp suất giảm tức là lượng hơi tiêu thụ nhiều hơn, cần phải tăng thêm
nhiên liệu để sản xuất nhiều hơn và khi áp suất tăng thì ngược lại.
- Đảm bảo quá trình cháy tốt nhất, nghĩa là điều chỉnh lượng gió cấp phù
hợp với từng loại nhiên liệu.
- Đảm bảo chế độ thơng gió cân bằng, đảm bảo áp suất hợp lý trong
buồng lửa cũng như trên đường ống dẫn gió và dẫn khói.
Ở đây ta chỉ quan tâm đến nhiệm vụ đầu tiên. Để thực hiện nhiệm vụ này ta
lấy xung lượng là sự thay đổi áp suất trong lò hơi.
* Các phương pháp điều chỉnh áp suất trong lò hơi:
2.2.1. Khi lò làm việc theo sơ đồ khối với tuốc bin

Cao học khóa 2006


- 18 -

Tuốc bin
Máy phát
Gb
3

2
Định trị

Pqn
Pb

Bộ quá nhiệt

1

Nhiên liệu

Buồng đốt

1- BĐC chỉnh định
2- BĐC giữ ổn định
3- HTĐC phụ tải và
tuốc bin

Hình 2.3: Lị làm việc theo sơ đồ khối với tuốc bin
Khi áp suất trong lò hơi (Pb) giảm, ta cần phải tăng lượng nhiên liệu thông
qua bộ điều chỉnh (BĐC) 1 để việc sản xuất được nhiều hơn và khi áp suất
tăng thì ngược lại. Nhưng như vậy thì thời gian điều chỉnh sẽ lâu vì chỉ có
một tín hiệu nên khó điều chỉnh chính xác, để giảm thời gian điều chỉnh ta
đưa thêm bộ điều chỉnh 2, lấy tín hiệu Pqn. Trong một số trường hợp để nâng
cao chất lượng ta kết hợp bộ điều chỉnh 1 và 3, tức là lấy thông tin áp suất để
cấp cho bộ điều chỉnh 3 thơng qua tín hiệu là lưu lượng nước vào tuốc bin.
Phương pháp này chỉ áp dụng đối với tuốc bin mắc vào hệ thống năng lượng
lớn (tức là ảnh hưởng của nó khơng đáng kể cho tần số lưới) và nó khơng nằm
trong chế độ điều chỉnh phụ tải của nhà máy.
2.2.2. Các phương pháp khi lò làm việc song song
Để nâng cao năng suất và tiết kiệm kinh tế người ta cho các lò làm việc song
song với nhau, các bộ quá nhiệt được nối với nhau (ống góp chung).
Nhiệm vụ của bộ điều chỉnh là tác động lên các lò để đảm bảo hiệu suất cao.
Có các phương pháp sau:
Cao học khóa 2006