KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 07/2022 Một phương pháp khảo sát xây dựng mơ hình động học hệ phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện đốt than phun phục vụ thiết kế điều khiển ■ TS PHẠM THỊ LÝ Trường Đại học Giao thông vận tài TÓM TẮT: Nội dung báo tiến hành xây dựng mo hình hệ phụ tải nhiệt với mục đích mơ phong chế độ vận hành nhu khảo sát ảnh hương yếu tố nhiễu tới chất lượng, hiệu hệ để hiệu chỉnh điều khiển hệ Phương pháp xây dựng mơ hình mơ dựa động học trình kết hợp với số liệu thu tổ máy Nhà máy Nhiệt điện Hải Phịng dùng cơng cụ phần mềm Matlab&Simulink để mơ Kết ban đầu thu mơ hình bản, đáp ứng đưọc mục đích đề Khi khảo sát chế độ vận hành điềi khiển tua-bin theo lò cho đáp ứng sát với đáp ứng thu từ thực tế vận hành nhà máy Từ KHĨA: Phụ tải nhiệt, lị hơi, q trình cháy, nhà máy nhiệt điện ABSTRACT: The content of the article presents the proci::ss of building a basic model for the thermal load syste n This model is built to simulate the operating modes and investigate the influence of noise factors on the quality and efficiency of the system and be able to adjust the system control The method of building simulation models is based on the kinematics of the processes combined with the data obtained from a unit of Hai Phong thermal power plant and using Matlab&Simulink software tools to simulate The initial results have obtained the basic model, which meets the set purpose When investigating the operating mode of turbine control according to the boiler, the response is close to the response obtained from the actual operation at the plant KEYWORDS: Thermal load, process, thermal power plants boiler, combustion 1.ĐẶTVẤNĐÉ Hệ điểu khiển phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện đốt than phun hệ thống điểu khiển lớn, vô phức tạp Trong hoạt động điều khiển hệ thống có nhiều yếu tố ảnh hưởng qua lại, đan xen lẫn Hệ điểu khiển phụ tải nhiệt phải đảm bảo điểu khiển đại lượng đầu vào lưu lượng nhiên liệu, gió môi chất nước, để đáp ứng yêu cầu phụ tải nhiệt đầu cóng suất với đại lượng nhiệt độ, áp suất lưu lượng Vì vậy, hệ điểu khiển phụ tải nhiệt đóng vai trò cốt lõi hệ điểu khiển lò Việt Nam chưa có nghiên cứu nghiên cứu chi tiết, rõ ràng vấn để Việc xây dựng mơ hình điểu khiển xác, phản ánh đắn q trình diễn biến vật lý hệ thống cẩn thiết để từ tìm phương pháp điều khiển nhằm nâng cao hiệu sản xuất, tiết kiệm nhiên liệu bảo vệ mơi trường Chính lý nên việc xây dựng mơ hình hệ điểu khiển phụ tải nhiệt luôn quan tâm nghiên cứu nhà khoa học thê' giới năm gần Việt Nam sôi vể vấn đề Nội dung báo xây dựng mơ hình mô hệ phụ tải nhiệt với đầy đủ động học trình nhằm khảo sát đánh giá vận hành điểu khiển lị để chỉnh định hệ điểu khiển góp phần nâng cao hiệu vận hành lị MƠ HÌNH HỆ ĐIỂU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT Nhà máy nhiệt điện sửdụng 100% nhiên liệu than thường vận hành chế độ phát công suất vào lưới điện (70 - 100%)Pđm [2,4, 5, 8,10], phạm vi nghiên cứu hệ điều khiển phụ tải nhiệt báo nghiên cứu điểu khiển phát công suất vào lưới điện Đối với lị hơi, q trình ngưng hâm nước khử khí có tính độc lập tương điểu khiển phụ tải nhiệt [4,5,8,10-14] Vì vậy, để giảm tính phức tạp hệ ta coi hai trình điều khiển vận hành ổn định đảm bảo yêu cầu vểchất lượng điểu khiển Từ giả thiết đó, ta có cấu trúc tổng quát hệ phụ tải nhiệt trình bày dạng sơ khối tổng qt Hình 2.1 Trong cấu trúc tổng quát này, hệ điểu khiển phụ tải nhiệt vùng đóng khung — gốm đại lượng đẩu vào là: công suất đặt, áp suất đặt; đại lượng đầu là: công suất nhiệt yêu cầu cho lị (lưu lượng nhiên liệu), tín hiệu điểu khiển góc mở van vào tua-bin 111 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Số 07/2022 toán theo lý thuyết hiệu chỉnh theo số liệu nhận dạng từ nhà máy cụ thể 3.2 Động học điều khiển q trình lị *Động học điều khiển trình cấp nhiên liệu trình cháy [1,2,3,4]: LƯU lượng nhiên liệu (W) với gió gió (Wul, Wa2) đưa vào lò cháy sinh nhiệt Theo [7], nhiên liệu đưa vào lị thực q trình cháy, tổng tổn thất từ q2,q6 10,836%, q4= 2,79%, q5= 0,21%, tồn hiệu suất nhiệt lị tạo nên từ công suất nhiệt 89,164%: Công suất nhiên liệu Qz = w h cháy truyền nhiệt cho dàn ống sinh hơi, phần thoát theo khói Qj, theo tro xỉ Qv tổn thất khác Q(í, ta có: Q / + wfCfTf- +'N„Cji + Qt, + Qu Q, - Èe„ =0 (1) Nhiễu D, Hình 2.1: cấu trúc tổng qt mơ hình hệ phụ tải nhiệt Hệ điều khiển phụ tải nhiệt có hai đối tượng điều khiển: Lò cụm tua-bin - máy phát [4, 5,8,10]; hai đại lượng cần điểu khiển áp suất công suất phát; hai cấu chấp hành: van nhiên liệu van hơi; có hai lượng đặt: cơng suất phát Ne * áp suất Trước đây, áp suất đặt thường giữ không đổi Ngày nay, để tăng công suất, người ta dùng lượng đặt theo dạng công suất trượt, vùng cơng suất < 70% áp suất đặt khơng đổi, cơng suất từ (70 -100%)Pđm áp suất có tăng theo cơng suất đặt quan hệ tuyến tính biến thiên vùng hẹp tương ứng (76 - 80%)Pmax Ngồi ra, cịn có loại nhiễu D tác động vào hệ phụ tải nhiệt, gây ảnh hưởng tới trình vận hành, cấu hình điều khiển phụ tải nhiệt xây dựng theo cấu trúc mở để lập cấu hình điểu khiển theo ba chế độ vận hành: theo lò hơi, theo tua-bin, kết hợp lò tua-bin Ngồi ra, mơ hình nghiên cứu áp dụng thuật điều khiển đại điểu khiển dự báo, điểu khiển tối ưu hóa XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC HỆ PHỤ TÀI NHIỆT 3.1 Các vấn đề xây dựng động học phụ tải nhiệt Xuất phát từ mục tiêu xây dựng mơ hình động học để phục vụ điều khiển cho đối tượng lò biết làm việc điểm cân bằng, phương pháp xây dựng mơ hình động học vào cấu trúc điều khiển lò Cho nên, mạch vịng điểu khiển kín hệ như: điều khiển cấp liệu (gió nhiên liệu), điều khiển cấp nước (mức nước bao hơi) điểu khiển chân không buồng đốt, điểu khiển nhiệt, đểu thành phần mơ hình phụ tải nhiệt Như vậy, ta cần phải xây dựng động học cho trình mạch vòng điểu khiển Căn để xây dựng động học dựa phương trình cân lượng, cân khối lượng cho điểm điểu khiển theo nguyên tắc quan hệ vào - Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới mơ hình, ta giả thiết yếu tố coi nhiễu khơng đổi để xây dựng mơ hình bản, sau ta xét đến nhiễu ảnh hưởng tới mơ hình Thơng số mị hình kết hợp tính 112 Cơng suất truyền nhiệt để sinh tổng công suất truyền nhiệt xạ Qta công suất truyền đối lưu Qdl hàm nhiệt độ cháy T tính: Q„ = Qbx + Qdl = kbxT' + kd, (T-TJ (2) Truyền nhiệt từ dàn ống sinh tới nước xuống (downcoming) từ bao hơi: Qsh=kTA(T-T y Cơng suất nhiệt khói đầu lị tính theo cơng thức: Qk = ^kCkTk Các thành phần tổn thất nhiệt theo tro xỉ tổn thất khác giả thiết khơng đổi (tính theo % cơng suất nhiệt vận hành) *Động học mạch vòng điều khiển khói gió: Mạch vịng điểu khiển khói gió lị tạo phân bố áp suất âm cho buồng lò, đảm bảo mơi trường cho q trình cháy nhiên liệu Lúc đó, lưu lượng quạt khói phải lớn tổng lưu lượng gió vào lị (Wj >ZWJ LƯU lượng gió vào lị thay đổi theo lưu lượng nhiên liệu (cơng suất phát) Vì vậy, người ta chọn đại lượng tác động mạch vịng khói gió lị lưu lượng khói, thơng qua điều khiển Dumper kết hợp với điểu khiển tốc độ quạt (biến tần) Giả thiết gấn khói gió lị khí lý tưởng với nhiệt độ khơng đổi, ta có biến thiên áp suất điểm đo lò: AP = (V MVa - ủWk) -i4-1 Tps (3) Hàm truyền điểu khiển lưu lượng khói tính: (4) AWt Au Tks +1 * Động học bao lị [5]: Phương trình cân khối lượng bao hơi, với giả thiết nước bay mặt thoáng bao lượng nước ngưng tụ, ta có: - Đối với nước: Biến thiên khối lượng nước bao tổng lưu lượng nước cấp trừ nước xuống ống sinh cộng với nước lên từ ống sinh (5) at -Đối với hơi: Biến thiên khối lượng bao hiệu lưu lượng vào bao (từ ống sinh hơi) lưu lượng khỏi bao hơi: —= at whr Phương trình cân lượng cho bao hơi: (6) KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 07/2022 —= ố x-'shfc-wnx Anx + w.hv A.hv + VJ.h,ni ni WJhr nr nr (7) E = mu + m.u n n n n Biến đổi (6) ta có: dm„ dm, du„ du, 'dT _ „ u ——+ uh + (m, + mh “7^7) , = Qsh ■ , + WfJhn-+ ,,, , ■ w.h (8) Nhiệt độ bão hịa tính: \Qsh + ™nXV>nX™hv (hhv - uh )] dT,, _bh dt , ịẨn m k (mn ỉ mh l dT n dT w„, (hn - un) whr (hh - uh) - ^bh (uh - hh) Khi đạt cân nước, ta có áp suất bão hòa nhiệt dấp cho phun giảm ơn: m\ck dT dT đượq tính theo phương trình angtoan [5]:p = K(T) Trong đó, hàm nhiệt độ cân - nước Động học trình nhiệt giảm ơn [1 ]: X ét q trình nhiệt, có hai giai đoạn: Giai đoạn trao đổi nhiệt bão hịa với khói để tạo nhiệt 1, khoảng 600°C, sau trao đổi nhiêt nước nhiệt độ cao _ _ _ giảm ân nhiệt 1, ta nhiệt có nhiệt độ ổn định khoảng 540°C Giả thiết xây dựng động học trình nhiệt theo phương trình cân lượng vào-ra Ta có: phương trình cân lượng trao đổi nhiệt bão hịa với khói để tạo q nhiệt qua nhiệt, rheo cân vào - ta viết thành phương trình: -Tịao đổi nhiệt khói bão hịa để tạo q trình W(KJ/kg), nhiệt lượng cấp vào chu trình q1 (kj/kg) nhiệt lượng thải q2 (kJ/kg): n,= — = 1-— 91 * Mơ hình động học tua-bin [6]: Cấu trúc chung mơ hình tua-bin: Hình 3.1: cấu trúc chung mơ hình tua-bin T — tr ^^hgnv=Qth^ 'hbhhbh at (14) 91 Phương trình động học trình sinh cơng với giả thiết q trình tái nhiệt lý tưởng, ta có mơ-men tua-bin sinh quay máy phát là: = kTkAk Vmh ~V~^kCk (Tk - w C„/-^ = knAk^-Tmh)-Qlrh I m)nh^mh at (9) ±ĨL+ m , (10) dQnp " dt A/ = Tm.cũ „ dQlP lP dt dQLP LP dt (15) Cấu trúc mơ hình tua-bin trình bày Hình 3.2 '^hqnvhqnv Qe Phương trình cân nàng lượng cho q trình phun giảm ơn để tạo ổn định nhiệt độ đầu nhiệt wqhn hhgnv + (^gơ - ^)Wng0 = đ(phV)h(inĩ dt (11) Trong đó: Ký hiệu "hqnv" nhiệt vào phun giảm ôn "Ihqnr"là , nhiệt phun giảm ơn 3.3 Mị hình tua-bin - máy phát Hàm truyền van điểu chỉnh: Hình 3.2: cấu trúc mơ hình tua-bin [6] Mơ hình máy phát điện: Giả thiết hệ làm việc với công suất đặt tần số lưới không đổi nên công suất phát tính gần đúng: k _ kve~0"s Gy- fÂ" TyS +1 (12) N Tfs + \ (16) Lưu lựợng tính theo đặc tính van: wte-cv (13) Hiệu suất nhiệt chu trình Rankine cho trình biến nhiệt thành năng, với cơng sinh chu XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG SỐ liệu sử dụng để xây dựng mơ hình tổ máy số Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng [7, 8], sản xuất vào tháng 7/2017 Tổ máy có cơng suất 300 MW, tương ứng với điểu kiện vận hành từ 75 - 100% RO, nhiệt độ nước cấp 113 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 07/2022 283°c, nhiệt độ gió nhiên liệu 347°c, nhiệt độ bão hòa 353°c, nhiệt độ nhiệt 541 °C, áp suất 14,79 -17,3 MPa, lưu lượng 653,1 - 996,93T/h, nhiệt độ khói đầu buổng lửa 1.047 - 1.118°c, hiệu suất định mức lò 89,164% Mơ hình xây dựng dựa số liệu thu thập từ trình vận hành sản xuất nhà máy với mức tài thay đổi từ 230 lên 300 MW (tổ máy vận hành ổn định) chế độ điểu khiển theo lò đường cong vận liệu khơng khí, áp suất hơi, lưu lượng hơi, lưu lượng nước cấp góc mở van theo % hành tổ máy số 2, tháng 7/2017, Hình 4.1 Hình 4.1: Đường cong vận hành tổ máy số2 nhiệt điện Hải Phòng Từ số liệu thực tế thu thập ta tiến hành xây dựng hầm quan hệ thành phần mơ hình như: Quan hệ cơng suất theo lưu lượng nhiên liệu Quan hệ lưu lượng nước cấp theo lưu lương Quan hệ áp suất đặt theo công suất đặt Các quan hệ biến đổi thành hàm truyền đạt, từ tiến hành thiết lập mạch vòng điểu khiển tiến hành xây dựng mơ hình mơ cơng cụ phẩn mểm Matlab&Simulinktrên Hình 4.2 Hình 4.2: Mơ hình xây dụng mơ Simulink Mơ hình mơ xây dựng cho phép áp dụng cấu hình điểu khiển khác nhau, cài đặt tham số kỹ thuật thông số vận hành theo thực tê' ví dụ như: tốc độ tăng công suất đặt (MW/phút), nhiệt trị nhiên liệu thay đổi on-line hay off-line đánh giá đáp ứng đánh giá mức tiêu hao nhiên liệu trung bình Tiến hành mơ theo đường cong vận hành nhà máy (Hình 4.2) để đánh giá, hiệu chỉnh mơ hình Trên mơ hình trích xuất đại lượng vào ra, nội dung báo dẫn trích xuất đổ thị (Hình 4.3), gồm: Đáp ứng cơng suất đặt cơng suất thực, lưu lượng nhiên 114 Hình 4.3: Đáp úng mơ hình mơ hệ phụ tải nhiệt - Kết mô thực chế độ vận hành tổ máy để kiểm chứng độ tin cậy mơ hình Mơ hình thực mô chế độ vận hành khác, Nhận xét: tác giả nghiên cứu tiếp; mơ hình cũngtrên tính suất thụ than Trên Đáp ứng thu hình cótiêu dạng đặc tính Mơ hình xâyđược dựng đápmô ứng yêu cẩu để ra,gần /h sản xuất (Kg than)/KWh có số liệu gần với số ng tự với đường cong vận vấn hànhđể thực nhà nhiên mơsohình cịn nhiều cầntếtiếp tục máy; hoàn vận hành; thiẹn ảnh hưởng nhiễu, như: chất lượng than, chât lượng trình cháy chất lượng điểu khiển mạch vòng KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 07/2022 Ì KẾT LUẬN Bài báo phân tích động học, kết hợp với số liệu thu thập từ Nhà máy Nhiệt điện Hải Phịng để tiến hành xây dựng mị hình điểu khiển hệ phụ tải nhiệt chế độ vận hành máy theo lò Kết thu đáp ứng tính tốn gần tương đương với vận hành thực tê' nhà máy Từ mơ hình xây dựng được, nhóm nghiên cứu tiếp tục phát triển hồn thiện để có kết nghiên cứu bám sát thực tế trình bày nội dung qài báo sau Tài liệu tham khảo [■ ] A.W.Ordys, A.w Pike, M.A Johnson, R.M.Katebi and MJ.Grimble (1994), Modelling and Simulation Power Generation Plants, Springer-Verlag London Ltd [2p Sam G Dukelow (1991), The control of boiler, 2nd Edition, ISA [3] Đỗ Văn Thắng (2010), Vận hành thiết bị lò tuabin nhà máy nhiệt điện, NXB Giáo dục Việt Nam [4] PGS.TS Phạm Lê Dần,TS Nguyễn Cơng Hân (1999), Cơng nghệ lị mạng nhiệt, NXB Khoa học Kỹ thuật [5], Philip J Thomas (1999), Simulation of Industrial Processes for Control Engineers, Elsevier [6]i Prabha Kundu (1994), Power System stability and Control, A Volume in the EPRI Power System Engineering Series [7] Các tài liệu vẽ thuyết minh: Vận hành lò hơi, tua bin, thiết bị đo, vận hành DCS tời liệu khác Nhà máỵ Nhiệt điện ng Bí mở rộng Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng [8] Các liệu hoạt động Nhà máy Nhiệt điện Hài Phòng tháng 7/2017, định dạng dạng file exel file ảnh chụp từ trend vận hành nhà máy Ngày nhận bài: 21/6/2022 Ngày chấp nhận đăng: 04/7/2022 Người phản biện: PGS.TS Trịnh Lương Miên TS An Thị Hoài Thu Anh 115 ... điểu khiển dự báo, điểu khiển tối ưu hóa XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC HỆ PHỤ TÀI NHIỆT 3.1 Các vấn đề xây dựng động học phụ tải nhiệt Xuất phát từ mục tiêu xây dựng mơ hình động học để phục vụ điều. .. từ Nhà máy Nhiệt điện Hải Phòng để tiến hành xây dựng mị hình điểu khiển hệ phụ tải nhiệt chế độ vận hành máy theo lò Kết thu đáp ứng tính tốn gần tương đương với vận hành thực tê'' nhà máy Từ mô. .. phục vụ điều khiển cho đối tượng lò biết làm việc điểm cân bằng, phương pháp xây dựng mơ hình động học vào cấu trúc điều khiển lò Cho nên, mạch vịng điểu khiển kín hệ như: điều khiển cấp liệu