Giáo trình điều khiển các quá trình công nghệ phần 2

4 Điều khiển q trình nơi Nồi nguồn lượng bàn cho trình phát điện cung cấp nhiệt cho ngành công nghiệp ch ế biến sưỏi ấm dân dụng Chương trình bày vấn đề bán hệ thống điều khiến nồi xây dựng mơ hình cùa nồi hơi, xây dựng mơ hình tuyến tính hóa điềm làm việc, tốn điều khiến trình nồi bao gồm: điều khiển lượng nước cấp, điều khiến lượng nhiên liệu khơng khí, điều khiển áp suất nhiệt độ cùa bão hòa đầu 4.1 K hái niệm nồi Nồi (boiler) hệ thống quan trọng dùng công nghiệp để sản xuất nưóc bão hịa dùng cho m ục đích sau đây: • Dùng đ ế cấp cho tuabin nhà máy nhiệt điện sản xuất điện sử dụng lượng than đá, dầu, lượng hạt nhân lượng nhiệt từ ánh nắng mặt trời • Dùng cho cơng nghệ hấp, sấy, gia nhiệt cho nguyên nhiên vật liệu sản phẩm • Dùng công nghiệp sưởi ấm cho khu dân cư Q trình nước hóa Urns _ ► Nhiên liệu nhiên liệu Không khỉ khơng khí Bề mặt Lị đốt truyền nhiệt Hình 4-1 cãu trúc cùa nồi 211 Điều khiển trình nồi hoi c ấ u trúc hệ thống nồi Hình 4-1, bao gồm hai hệ thống bản, hệ thống nước hoi (steamwater system) hai hệ thống trao đổi nhiệt Hệ thống nước có đầu vào nước, đầu nước bão hòa Hệ thõng trao đổi nhiệt bao gồm phần trộn nhiên liệu khơng khí (mixing o f fu el and air), lị đốt {furnace) bề mặt truyền nhiệt (heat transfer surface), đâu vào nhiên liệu khơng khí đầu khí thải tro ựlue gas and ash) Bề mặt truyẽn nhiệt dẫn nhiệt từ lò đốt đến trao đổi nhiệt với hệ thống nước Các nồi dùng cho mục đích động lực thường có suất áp suất cao (năng suất từ vài chục đêh hàng trăm tãn/h, áp suãt vài chục kg/cm2) Các nồi dùng cho hai m ục đích sau thường có suất áp suất nhị hơn()iổHg suãt đêh vài chục tãn/h, áp suãt - kg/cm2) Về nguyên lý thiết kế, nồi có hai kiểu là: • Nguồn nhiệt chùm ống, nước bao quanh ựire-tube) Khí thải Chùm Buồng đốt lireDox) Hình 4-2 Nguyên lý cùa nói fire-tube (bên trái) luater-tube (bên phái) Noi fire - tube có dịng nhiệt ống (tube), ống ngập nước, nhiệt truyền đến nước sinh (nguyên lý giôhg ãm điện dùng dây mayso) Nồi dạng có công suất nhỏ, suất khoảng 11 - tãn/h, áp suất đến 250 psi (17,5 kg/cm 1) Do sừ dụng rộng rãi cơng nghiệp • Nước chùm ống, nguồn nhiệt bao quanh (water-tube) Nồi dạng có cấu trúc ngược lại so với fire - tube, lúc nước qua chùm ống nhiệt bao quanh, cấu trúc dạng cho phép sản xuất có áp suất nhiệt độ cao hiệu suất sử dụng nhiệt lớn, nên dùng phổ biến Có thê’ phân loại nồi theo nguồn nhiệt, có thê’ phân loại thành • Các nồi có buồng đốt nhiên liệu: nồi sử dụng nguyên nhiên liệu đõt trực tiếp sinh hoi Đối với nồi có buồng đốt nhiên liệu, có thê’ dùng loại nhiên liệu khác nhau: than, than bụi, nhiên liệu khi, lịng • Các nồi sử dụng nhiệt thừa: nồi sử dụng nhiệt thừa từ q trình khác ví dụ sau sấy, thu nhiệt lượng, ta sử dụng cách gia nhiệt thêm vào tạo thành hoi chạy máy phát điện nội Nồi dạng thường có nhà máy sản xuất giấy, phân bón, hấp sấy quần áo, cơng nghệ có thiết bị nhiệt mà lượng nhiệt khí thài (sản vật cháy) m ang theo rẩt lớn, tận dụng đề sản xuất Ví dụ: lượng nhiệt sau lị luyện thép Đối với nồi có buồng đốt nhiên liệu, dùng loại nhiên liệu khác nhau: than, than bụi, nhiên liệu khí, lỏng Ví dụ 4-1 Minh họa trình sừdụng nồi nhà máy nhiệt điện sử dụng than A Ong khói ' *5 ' _ Hình 4-3 Mơ hình nhà máy nhiệt điện sử dụng q trình nơi 4.2 Các thành phần nồi Các thành phần bân nồi dùng than mô tả Hình 4-4, ý sơ đồ bão hòa đến m ột hộp đầu chung (header), sơ đồ phổ biến công nghiệp nhiệt điện, số nhà máy đặc biệt nồi hoi nối trực tiếp với turbin, lượng tiêu thụ nhiên liệu tính tốn dựa áp suất ỡ hộp đầu chung áp suất bao Các nhà máy điều khiến tốc độ đốt nhiên liệu dựa nhu cầu điện (tính bang megawat) áp suất cúa hơi, tốc độ cháy phụ thuộc vào hệ thống cụ thê’ [16] Buồng đốt hay gọi lò (combustion cham ber ỉfurnacc) dùng đ ể sinh nhiệt tạo thành hệ trao đổi nhiệt Có ba yếu tố quan trọng đối vói buồng đốt thịi gian, nhiệt độ dịng xốy khí lị Bài tốn điều khiển gió lị toán tri áp suất âm buồng đốt cân gió lị Tùy theo nhà sản xuất mà áp suất âm quy định khác nhau, thông thường điểm đặt -0.5 inchs (-1.27cm), điếm đặt tăng lên đến inchs ( 1.27cm) đ ể giám thiếu tắt lò 213 Điều khiển trình nồi hoi H ình 4-4 Các thành ptìân cùa tiôi dùng than [16] Than đá đưa qua băng tải đến nghiền thành bột m ịn, sau phun vào buồng đốt sử dụng hai nguồn khơng khí trộn (khơng khí lạnh khơng khí gia nhiệt), nước hâm nóng đưa vào bao hơi, trao đối nhiệt tạo thành Hình 4-4 minh họa thành phân bán cùa nồi dùng than đá, nồi có quạt hút (Induced Draft) quạt đẩy {forced Draft) hay gọi quạt b ổ sung quạt cưỡng Các nồi cỡ lớn có thê’ dùng 02 quạt hút 02 quạt Quạt hút hút khơng khí từ buồng đốt ngồi nhằm tri áp suất âm buồng đốt, quạt đẩy đẩy khơng khí chứa oxy từ ngồi vào đ ể trì cháy Hộp gió (windbox) phân phối nguồn gió thứ hai đến mó đốt (burners), hộp gió có m gió (damper) điều chỉnh đê’ tạo dịng xốy khí nhằm nâng cao hiệu cúa q trình cháy Nhằm giảm thiếu thất nhiệt cùa khí thải m ột cách vơ ích nâng cao hiệu nồi người sử dụng trao đổi nhiệt khí thải ựlue gas heat exchangers) đê’ lấy nhiệt làm lạnh khí thải Bộ gia nhiệt khơng khí trước đưa vào đốt (combustion air preheater) m ột phận trao đơi nhiệt Hình 4-5, trước đưa ống khói đ ế thái ngồi, khí thải dẫn qua gia nhiệt khơng khí nhằm nung nóng khơng khí trước đưa vào trộn với nhiên liệu phun vào buồng đõt Vì khí thải có nhiệt độ cao khơng khí nhiệt truyền đến khơng khí thơng qua bề mặt trao đôi nhiệt gia nhiệt Khi khơng khí gia nhiệt trước làm cho lượng tiêu thụ nhiên liệu giảm tương ứng với lượng cơng suất, nâng cao hiệu suất cùa lò, tăng 4.4 "C nhiệt độ khơng khí trước đưa vào buồng đõt ta tiết kiệm 1% lượng nhiên liệu tương ứng Nước Hơi băo hịa Nhiên liệu Nồi Khơng khí r ■\ Bỏ gia nhiệt /■ J không Khi V n Khí thải H ình 4-5 Bộ gia nhiệt kltơng khí trước đưa vào bùơng dot (air preheater) Bộ gia nhiệt nước trước đưa vào nồi (economizer) làm nhiệm vụ sừ dụng nhiệt khí thải để hâm nước đưa vào nồi nhằm tăng hiệu quà nồi giảm thất thoát nhiệt Trước gia nhiệt cho khơng khí, khí thải dùng để gia nhiệt cho nước m inh họa Hình 4-6 H ìn h 4-6 Bộ gia nhiệt nước trước dưa vào ríõi (economizer) Bộ nung nhiệt (superheater) làm nhiệm vụ gia nhiệt thêm cho hoi đê’ loại bỏ hồn tồn ấm cịn lại qua nâng cao chất lượng Độ khơ tính phần trăm tiêu đánh giá chất lượng cùa hơi, chất lượng cao 100% tương ứng với khơng cịn ẩm hay nói cách khác nước hóa hồn tồn Hơi sừ dụng q trình trao đối nhiệt báo hòa, nước ngưng tụ trạng thái lỏng bào hòa Tuy nhiên, trình vận chuyên đế tránh tượng tắc ngẽn đường ống ngưng tụ ống người ta cân lắp thêm nhiệt cách nhiệt thật tốt đường ống 215 Điều khiển trình nồi hoi Hình 4-4 minh họa m ột nồi dùng 01 bao hơi, thực tế nồi sử dụng hai bao hơi, đê’ tạo (upper drum, steam drum, water drum) m ột đ ế lắng cặn (m ud drum, lower drum) Nước trước đưa vào nồi qua xử lý đ ể loại bỏ chất rắn hòa nước, nhiên có nh ữ ng cặn, lắng nhó cịn lại nước K hi qua bao lắng cặn chất cặn lắng xả bỏ, q trình xả thực tay tự động Nếu nồi có bao hoi trình thực bao Hơi nước H ìn h 4-7 Nói sừ dụng 02 bao V í dụ 4-2 Lưu đồ P& ỈD điển 216 hình m ột noi Nồi hoi áp lực (Pressure fired boilers): nồi áp lực khơng cần quạt hút vận hành điều kiện áp suất dương số giai đoạn tồn q trình Đối với nồi kiểu áp suất lò thay đối vi tải thay đối phụ thuộc vào dao động cúa tải sử dụng Khi tốc độ cháy tăng lên cần nhiều khơng khí bơm vào bời quạt qua áp suất buồng đốt tăng lên Hình 4-9 sau minh họa cấu trúc nồi áp lực, điểm quan trọng đõi vói nồi dạng buồng đốt phái kín gió (airtight) hệ thống thải khí phải kín (gaslight), điều Tất quan trọng khơng cho phép thải nóng cùa buồng đốt rị ri bên ngồi, áp lực lớn có th ế gây nguy hại đến tường lò, nguy hiểm cho người vận hành H ình 4-9 NSi áp lực 4.3 M ô h ìn h trìn h n i Mô hình cùa trình nồi trình phức tạp liên quan đến trình truyền nhiệt, hóa hơi, q trình chuyển đổi vật chất Nồi đõi tượng nhiệt nói chung đêu có qn tính lớn tính phi tuyến rõ rệt Tính phi tuyến th ể tồn trễ vận chuyến mơi lỉêxi liệ bên trung t| trinh Ìihỉệi D ế xây dựng mơ hlnh nồi hơỉ td cân dùng nhiều phương trình liên quan đến tượng vật lý phương trình chun hóa từ nước sang hơi, phương trình truyền nhiệt, phương trình truyền nhiệt nung q nhiệt Mơ hình nồi m hình phức tạp, đa biến có tác động qua lại nhiều đại lượng, điều kiện làm việc thay đổi hệ phương trinh vi phân mô tả đối tượng thay đổi theo, đa phần mơ tả phương trình vi phân đạo hàm riêng Trong nồi ảnh hường qua lại tham số công nghệ thê’ hiển rõ rệt mà nhiều trường hợp khơng thê bó qua, tham số đâu vào, đầu cùa ảnh hường chặt chẽ với Có nhiều phương pháp xây dựng mơ hình cho q trình nồi hơi, tài liệu [18], [19] tác giả mô tả đầy đù từ thành lập mơ hình q trình cháy, trình truyền nhiệt qua vách ngăn dàn trao đổi nhiệt, truyền nhiệt phần nung sơ , nhiên mơ hình sử dụng điều khiến có q nhiều tham số vật lý cần phái xác định, mà tham số khó có thê’ xác định Một số m hình sứ dụng phương pháp phân từ hữu hạn để xấp xi phương trình vi phàn đạo hàm riêng, nhiên chúng dùng 217 Điều khiển trinh noi điều khiến phức tạp Astrom Bell vào năm 2000 đưa m ột mơ hình phi tuyến dùng tham số biếu diễn động học nồi h m ột dải vận hành rộng [17], mơ hình sử dụng nhiều điều khiến nghiên cứu nồi năm gần Do giáo trình trinh bày m hình nồi dựa tài liệu [17], ký hiệu giữ nguyên đ ế bạn sinh viên có th ể tìm hiểu thêm cách dê ràng với tài liệu tham khảo 4.3.1 Các phư ơng trìn h c a b ả n q trìn h nồi Hình 4-10 Mơ tà túân hồn CỊ trình nước - ơng lên (riser) ơng xng (domticomer) Hình 4-10 mơ tả q trình tuần hồn nồi hơi, nhiệt lượng Q tạo trình cháy đưạ tới õng lên, lực trọng trường đẩy bão hịa lên nước ống xuống có nhiệt độ thấp xuống tạo thành m ột vịng tuần hồn ống lên ống xuống Nước cấp đưa tới bao bão hòa lấy từ bao đưa đến phần nung nhiệt đưa tới nơi sử dụng (tuabin khí máy phát điện ) Khi có lớp nước bao gây tượng co dãn (shrink and swell) Trong thực tế m ô hình thực phức tạp hon mặt hình học, có nhiều ống xuống ống lên hình vẽ M ột tính chất quan trọng cúa nồi tốn truyền nhiệt hiệu đ ế đun sơi tốn ngưng tụ Tất phần hệ thống có mối liên quan đến hỗn hợp lỏng - (licjuid-vapor mixture) điếm cân nhiệt Năng lượng lưu giữ nước giải phóng hấp thu cách đột ngột áp suất thay đổi Bảng 4-1 sau cho thấy phân bố lượng tích lũy phần nồi 02 nồi tương ứng ỡ hai chế độ làm việc Báng 4-1 N ă n g lư ợ n g tích lũ y tro n g p h a n kim lo ại (ô h g lên, ô n g x u ô h g ), n c v h i củ a m ột s ố n ồi h i Nồi hơí P16-G16 80 MW P16-G16 160 MW Era 330 MW Era 660 MW Phàn kim loại 641 320 1174 587 Nước 739 333 303 137 Hơi 64 37 60 35 Tổng 1444 690 1537 759 Tù báng cho thấy lượng tích lũy nước thường nhỏ nhiều nồi hoi công suất lớn, điều thay đối mức nước nồi công suất lớn tương đương thay đối cúa điều kiện vận hành, toán điều khiến mức cho nồi hoi cơng suất lớn thường khó khăn Đ ế xây dựng m hình ta giả thiết đầu vào • Tổng nhiệt lượng sinh q trình đốt cháy nhiên liệu đưa tói ống lên: Q(W); • Lưu lượng nước cấp cho bao hơi: qf (kg Ị s) ; • Lưu lượng sinh m ong muốn theo yêu cầu công nghệ: q (kg Ị s) ; đầu cúa nồi • Áp suất bao p (bar); • M ức nước bao hơi: l(m) ; Tiếp theo, giả thiẽt V thê’ tích, p khối lượng riêng, h enthalpy, T nhiệt độ CỊ lưu lượng Các số kèm đại diện: s cho hơi, w cho nước, / cho nước cấp m cho phần kim loại, ta ký tự thứ hai số dưói nhằm phân biệt cho: f tổng thế, d cho bao hol vầ I cho Ống lên, mt tông kho'1 lượng kim loại cùa bao hơl vầ ớng klm loại, c nhiệt dung riêng kim loại 4.3.1.1 Các p h n g trin h cân b ằ n g Phương trình cân tổng khối lượng ^ ( P , vst+ P w v wt) =