Nghiên ứu hệ thống á bình gia nhiệt và hệ thống điều khiển

Trang 1 VŨ VĂN QUÝBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Trang 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- VŨ VĂN QUÝNGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CÁC BÌNH GIA NHIỆT VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂNChuyên n

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

-

VŨ VĂN QUÝ

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CÁC BÌNH GIA NHIỆT VÀ HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN

Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh

Hà Nội – 2017

M C L C Ụ Ụ

M C L C i

DANH M C HÌNH NH iv

L I C vi

L vii

PH N M U 1

NG QUAN V NHÀ MÁY NHI U KH M C BÌNH GIA NHI C C P NHÀ MÁY NHI N 5

1.1 T ng quan v nhà máy nhi n và h th ng các bình gia nhi c 1.1.1 T ng quan chung v nhà máy nhi n 5

1.1.2 Nguyên lý ho ng c a nhà máy nhi n

1.1.3 Chu trình nhi t trong nhà máy nhi n 14

n

1.1.4.1 Nhi m v c

1.1.4.2 C u t o c

1.1.4.3 Các lo

1.1.5 H th ng các bình gia nhi c c p c a nhà máy nhi n

nguyên lý

1.1.5.2 Thi t b u n i các bình gia nhi t

1.1.5.3 Cân b ng nhi t và các ch làm vi c c a bình gia nhi t 29

1.1.5.4 V n hành bình gia nhi t 32

1.2 H th u khi th u khi n bình nhi n 34

n là m 1.2.2 Gi i thi u chung h th u khi

1.2.3 H th u khi n m c bình gia nhi c c p

t v

1.2.3.2 H th u khi n m c bình gia nhi c c p

1.2.3.3 M c tiêu c a nghiên c u 41

1.3 K t lu

TOÁN H U KHI N U KHI N M C BÌNH GIA NHI C C P NHÀ MÁY NHI N 43

t bài toán 43

2.2 Mô t toán h c cho các thành ph n trong h th u khi n m bình gia nhi c c p nhà máy nhi n

2.2.1 C u trúc mô hình nhà máy nhi n 45

2.2.2 Xây d ng c u trúc h th u khi n m c các bình gia nhi t

2.2.3 Hàm truy n các thành ph n c a h th ng 46

2.3 Hàm truy n c a h th ng 56

2.4 K t lu n 57

T K B U KHI U KHI N C BÌNH GIA NHI C C XU T C I THI N CH T U KHI N B NG B U KHI N M CH NH THAM S PID 58

3.1 T ng quan b u khi n PID 58

3.1.1 Thi t k b u khi h(t)

3.1.2 Thi t k u khi n mi n t n s 6

3.2 Thi t k u khi n m c bình gia nhi c c p

xu t c i thi n ch u khi n m c bình c p b ng b m ch nh tham s PID 6

3.4.1 M hóa 66

3.4.2 Gi i m (defuzzyfier) 66

3.4.3 Kh i lu t m và kh i h p thành 68

3.4.4 B u khi n m 70 3.5 Thi t k b u khi n m ch nh tham s b u khi n PID

t k .3.5.2 Nh n xét 77

D NG PH N M M CASCAD THI T K , TÍNH TOÁN T I

MÁY NHI N THÁI BÌNH 2 78 4.1 Mô t h th ng gia nhi t cao áp, h áp nhà máy nhi n Thái Bình 2 4.1.1 Ch m v v n hành h th ng gia nhi t cao áp, h áp

c tính k thu t

86 4.2 Gi i thi u ph n m m CASCAD và s d ng ph n m m CASCAD thi t

Thái Bình 2 89

4.2.1 Gi i thi u ph n m m CASCAD 89 4.2.2 S d ng ph n m m CASCAD thi t k , tính toán t u c

m c bình gia nhi t 90

K T LU N 108 TÀI LI U THAM KH O 109

DANH MỤC HÌNH ẢNH

kh i công ngh thi t b nhà máy nhi n than

nhi t nguyên lý v n hành nhà máy nhi chu trình nhi t c a m t t máy

Hình 1.4: Nguyên lý c u t o c

nguyên lý thi t b gia nhi t h i nhi t

Hình 1.6: Thi t b gia nhi t h u n i

Hình 1.7: Van m t chi n KOC 24

Hình 1.8: Xiphông th y l x tràn trong các dung tích áp su t th p 26

Hình 1.9 Bình gia nhi t cao áp 27

b o v bình gia nhi t cao áp

Hình 1.11: C u trúc chung c a h th u khi

Hình 2.1: C u trúc mô hình nhà máy nhi n 45

kh i m t vòng c a h th u khi n quá trình Hình 2.3: C n c a m t thi t b

Hình 2.4: M t s hình nh thi t b p

Hình 2.5: C n c a thi t b ch p hành

Hình 2.6: C u trúc tiêu bi u c a m t van c u khí nén 50

Hình 2.7: Bi ng và ký hi u cho ki ng c a u kh u khi n m c bình gia nh ng c a m c bình gia nhi u ch nh m c bình gia nhi t m t tín hi Hình 2.11: C u trúc mô t toán h c c a toàn h th ng 57

kh i b u khi n tuy n tính (PID)

c u trúc b u khi n PID

th

h th u khi n

c u trúc h th u khi n m c bình

c p nhà máy nhi n 64

Hình 3.6: C u trúc b u khi n m n

i m c i

ng tâm

c u trúc b u khi n m PD

kh i h th ng v i b u ch nh m PI(1)

kh i h th ng v i b u khi n m PI(2)

u khi n thích nghi tr c ti p

u khi n thích nghi gián ti p

u khi n m ch nh tham s nh m tham s b u Hình 3.16: Bên trong b u ch nh m 74

Hình 3.17: T p m e và e' 75

Hình 3.18: T p m 75

Hình 3.19: T p m 75

Hình 3.20: C u trúc ch nh m tham s PID 77

Hình 4.1 u khi n m c bình gia nhi t h áp s 5,6,8

Hình 4.2 u khi n m c bình gia nhi t h áp s 7

Hình 4.3: u khi n m c bình gia nhi t cao áp s 1, 2,3

y, Cô trong Vi n Khoa h c

th tôi trong su t th i gian h c t p và th c hi n lu

LỜI CAM ĐOAN

có ngu n g c rõ ràng, tuân th c và k t qu trình bày

lu c thu th p trong quá trình nghiên c u là trung th

c ai công b

Hà NTác gi lu

Vũ Văn Quý

quan tr ng, ng l n an toàn và hi u qu c a quá trình v n hà

t và hi u su t c a chu trình nhi m b o an toàn cho thi t b

c

trình nhi t khác nhau Nó bi ng ph thu c vào ph t i c a c t

t t bình gia nhi t cao áp v b u khi

c vào và ra nhóm bình gia nhi

n các bình gia nhi t c

Quá trình c t t ng nhóm bình gia nhi t cao áp, h th ng làm vi

sau: Xung tín hi u t b ki m soát m c, khi m t bình gia nhi t h áp

t t trong m i ch làm vi i các nhà khoa h c không ng ng ptri n nghiên c u Vì v tài t p trung vào vi c nghiên c u thi t k b

khi n PID và xu t k b u khi n m ch

s PID nh m nâng cao ch ng cho h th ng u khi n.S d ng p

trong các bình gia nhi t

3 Đối tượng và ph m vi nghiên c u ạ ứ

nhi t

 S d ng ph n m m CASCAD thi t k , tính toán t th

khi n m c bình gia nhi t

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên c u lý thuy t k t h p mô ph ng dùng ph n m m CASCAD

NG QUAN V NHÀ MÁY NHI

N

6 T ng quan tài li u nghiên c u ổ ệ ứ

Tài li u nghiên c c tham kh o là nh ng bài báo, các lu

s t i h c c a các qu c gia khác trên th gi i, cùng vtrang web tìm hi u

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VÀ ĐIỀU

KHIỂN MỨC NƯỚC BÌNH GIA NHIỆT NƯỚC CẤP NHÀ MÁY NHIỆT

ĐIỆN 1.1 T ng quan v nhà máy nhiổ ề ệt điện và h ệ thống các bình gia nhiệt

nước c p ấ

1.1.1 T ng quan chung v nhà máy nhiổ ề ệt điện

ph n chính y u c a h u h

nhau Nó ph thu c ph n l n vào lo i ch t và công ngh mà nhà máy có th

có th c nh tranh v i các ngu n nhiên li u khác Vi t Nam, than có tr

ng khá l n v i hai lo i ch y u là than antraxit Qu ng Ninh và than nâu

ng b ng B c B

tr ng r t l t, khó khai

tr ng M t trong nh

than bitum t c lân c Indonesia và Úc Than nh p kh u có t

c và gi m chi phí nh p kh u

s d ng ba ngu n than chính là than antraxit, than nâu và than bitum nh p

kh u Ba lo i than này s s xem xét khi l a ch n công ngh cho nhà

t máy, h th n qu c gia và khu v c Công su t t i v i

Các nhà máy nhi t than phun ph bi n v i thông s c n t i

và thông s trên t i h n Thông s quy nh hi u su t s n xu

gi m, t u ki n thu n l nâng cao hi u su

phun v n s là l a ch n hi u qu khi xây d ng nhà máy nhi t th

Vi t Nam Công su t t máy s trong kho ng 500 - 1000 MW v i thông s

Nhà máy nhi t n có th c phân lo i d a trên hai tiêu chí: lo i

s c nóng c ng v t, lò s i Tuy nhiên các nhà máy này có c

su t th p

quay cánh tuabin

 Nhà máy tuabin khí: dùng áp su t do dòng khí di chuy n qua cánh

tuabin làm quay tuabin Do nó làm cho tuabin kh ng nhanh nên nó có th

c dùng cho vi c t

m c dù t

 Nhà máy tua bin k t h p h - khí: k t h m c a hai lo i tutrên

1.1.2 Nguyên lý hoạt động c a nhà máy nhiủ ệt điện

Nguyên lý s n xu n c a nhà máy nhi n là chuy n hoá n

t cháy các lo i nhiên lichuy

t cháy nhiên li c c p cho quá trình t

nhi

kh i công ngh thi t b nhà máy nhi t than có ththành 04 c m: Thi t b cung c p nhiên li u; Lò

10Hình 1.1 Sơ đồ kh i công ngh thi t b nhà máy nhiố ệ ế ị ệt điện than

Hình 1.2 Sơ đồnhiệ t nguyên lý v n hành nhà máy nhiậ ệt điện đốt than

1 Lò quá nhi t; 3.Tuabin; 4.B quá nhi

14.Bình kh c c p; 16,17,18 Các bình gia nhi t cao áp; 19,20

Giải thích quá trình s n xuả ất điện:

kho than b t trung gian, t

ng các máy c p than b t và h th ng gió c t cháy thtrong lò s d ng gió nóng c p 2

 c sinh ra t lò sau khi ra kh

qua các b quá nhi t t i thông s yêu c

c h t vào tuabin cao áp, sau khi ra kh

t i b quá nhi t trung gian và gia nhi t t i thông s u l

vào tua bin trung áp, sau khi ra kh

 Tro bay u b s y không khí và b l c b

chuy n v các Silo d tr tro nh h th ng v n chuy n b ng chân không Tro

m t h th ng x c th i bao g m x c th i công nghi

kinh t xã h i c i Xã h i càng phát tri n thì nhu c u s

ki t d n, nó t l uth n v i t phát tri n c a kinh t th gi i.Trong nh

ng c

nghi p, các thành ph thì yêu c u b m nhu c u v

an toàn xã h i s ng c a nhân dân là r

và s d ng có hi u qu và b n v ng; V s d ng ti t

nghi p hóa và hi

1.1.3 Chu trình nhi t trong nhà máy nhiệ ệt điện

Nhà máy nhi n ho ng d a trên nguyên t c chuy n hóa nhi

cháy các nhiên li khí thiên nhiên, d u m t i bu

c l

bi i theo m t vòng tu n hoàn kín

Hình 1.3: Sơ đồ chu trình nhi t c a mệ ủ ộ ổt t máy

1.1.4 Lò hơi nhà máy nhiệt điện

1.1.4.1 Nhi m v cệ ụ ủa lò hơi

li u thành s n ph m cháy có nhi

nhi t có áp su t và nhi th a mãn yêu c u s d ng

Hình 1.4: Nguyên lý c u t o cấ ạ ủa lò hơi

; 2 c xu ng; 3 B quá nhinhi t mành sau; 5 B qua nhi t mành trung gian (tái nhi t) ; 6.B quá nhi t trung gian cu i; 7.B quá nhi t cu i; 8 ng treo; 9 Dàn ng ph kín; 10

ng tr n lò; 11 B quá nhi t trung gian mành b c x ; 12.B quá nhi i

t n m ngang 13 B; c; 14 Vòi phun; nDàn ; 17 B s y không khí ki u h i nhi t; 18 Máy nghi n

19 Thi t b th i x ; 20.Qu t gió c p 1; 21 Qu t gió c p 2 lò

 H th ng cung c t cháy nhiên li u

 H th ng cung c p không khí và th i s n ph m cháy

l n, dùng ph bi n hi n nay trong các nhà máy nhi t n c ta, có th

t nhiên li u khí, nhiên li u l ng phun thành h t ho c nhiên li u r n nghi n thành b t m n

t phun g m các b ph

c c p, vòi phun nhiên li u, bu ng l

c nhiên li u phun vào lò, ph u tro l làm ngu i các h t tro x c

c c p, ng khói, b s y không khí, qu t gió, b c, dàn

c xu ng, dàn n c lên, dãy eston dàn ph

b l c b ch ng mài mòn cánh qu t khói

1.1.4.3 Các loại lò hơi chính

n hoàn t nhiên nhi u l n khi áp sup0<Pth v

riêng c a môi ch t theo nguyên lý b m t nh n nhi t nhi

ng riêng nh y lên phía trên (trong giàn

th c hi n tu n hoàn t nhiên nhi u l n (4÷10) l n thì

nguyên lý thi t gia nhi t h i nhi hình 1.5

hi n các bình gia nhi c c n gia nhi

Hình 1.5 : Sơ đồ nguyên lý thi t b gia nhi t h i nhi t ế ị ệ ồ ệ

LME - Bình làm mát Ejecto; LMK - Bình làm mát không khí máy phát; LMC -

Bình làm mát hơi chèn; GH1, GH2, GH3, GH4 - Các bình gia nhi t h áp; ệ ạ

GC5, GC6, GC7 - Các bình gia nhi t cao áp ệ

gia nhi t ki u b m

Nhóm 1 là các bình gia nhi t có áp su t th p, g i là bình gia nhi t h áp,

ua các bình gia nhi t h áp B m t trong các bình gia nhi t

là các ng Nhóm th 2 là các bình gia nhi t có áp su t cao, g i là bình

nhi t cao áp ch t o b ng thép

Khác v hình 1.4, các thi t b gia nhi t h i nhi

th c t còn có thêm m t s ng bình gia nhi t h

nhi t trên các ng c a bình gia nhi c bão hòa, ng v i áp su t tro

a bình gia nhi t.Nhi

c có th

so v i nhi bão hòa Hi u s gi a nhi bão hòa trong khô

v y, n u c n gia nhi n nhi , thì nhi bão hòa trong

gia nhi n nhi b ng nh

m t s bình gia nhi t tách riêng m t ph n b m t ng ph c ra kh

t nó

t nóng thêm lên trên nhinhi t

v y có t t c các bình gia nhi t cao áp và bình gia nhi t h áp cu i cùng c a

kh i 300MW

trích, và bi t áp su i t ng tuabin (qua tính nhi t tuabin), nhà t

Trong thi t b gia nhi t h i nhi gi m s

s bình gia nhi t có th c t theo t ng nhóm Các thi t b riêng l

c n cho h th khí, bình gia nhi t chèn, ) không cho pháp clàm vi c vì vi c c t làm vi c s d n ph i d ng toàn b t máy

1.1.5.2 Thi t b ế ị và sơ đồ đấ u n i các bình gia nhi t ố ệ

Hình 1.6: Thi t b gia nhi t h ế ị ệ ạ áp và sơ đồ đấ u n i ố

1 V ; 2 Chùm ng; 3.Buỏ ố ồng nước; 4.Nước ngưng vào; 5.Nước ngưng ra;

6.Hơi vào; 7.Xả nước đọng; 8 ng thỐ ủy; 9.Nước đọng t ừ bình trước đó vào;

10.Hút khí không ngưng; 11.Khí không ngưng từ bình trước đến; 12.X ng ả đọ

đường hơi; 13.Lấy tín hi u báo mệ ức nước đọng

vi c c a bình gia nhi t.Vi c th i khí t t nh t là th c hi n cu

tuabin t các bình gia nhi t có th làm roto tuabin quay v t t ,

an toàn làm vi c c a van m t chi u, có trang b h th

ng b c i d ng servomoto th y l c, piston c a serv

van ch n và van m t chi u, vì không có ch b trí

sao cho ph i bình gia

t i m t m

ng dùng các b u ch n t m

ng h p, có các bình gia nhi t dùng các b u ch nh m c ki

ng x ng tr c ti p B u ch nh nh n xun

trong bình gia nhi t, có ng th y sáng trên thân bình

su t trong không gian s ng vào (kho ng ) thì

l c Thi t b

chênh l ch áp su t nh u cao c c c a xiphông, th y l c

Hình 1.8: Xiphông th y lủ ực để ả x tràn trong các dung tích áp su t th p ấ ấ

khác nhau Ví d t m t bình gia nhi t cao áp, có th ng vào kh

ng này t ng m khi gi m t i, khi áp su t trong bình gia nhi

ng v kh khí Thi t b x s c ph còn trang b cho b

ng làm vi c không nh.T bình gia nhi t h áp s

u lên, n p c u có m i n i m t bích i.H th

ng

Hình 1.9 Bình gia nhi t cao áp ệ

t gi nhi bão hòa, ng v i áp su t trong bình.Bình gia nhi

t trong, cho phép gi c nhi ng th bão hòa, gi

gia nhi t, tín hi u m c c a b t k bình gia nhi

u cho xung tín hi b b o v ng B b o v s ng van

Hình 1.10: Sơ đồ ả b o v bình gia nhi t cao áp ệ ệ1.1.5.3 Cân bằng nhi t và các ch làm vi c c a bình gia nhi t ệ ế độ ệ ủ ệ

Hình 1.11: Sơ đồ cân b ng nhi t bình gia nhi t ằ ệ ệ

gia nhi t g m nhi t c

ng nhi t mang ra kh i bình gia nhi t g m t nhi c c p ra kh i bìn

ng nhi t bình gia nhi

 - Hi u su t nhi t bình gia nhi n t n th

xung quanh (b ng kho ng 0,98)

B i v y khi t t c các bình gia nhi c

i, t c là không có gia nhi t

c bình gia nhi t Các bình gia nhi t sau nó c n duy trì nhi c nh

khí ho c bình gia nhi c b sung), s

bình gia nhi ng tuabin, và khi kh ng l i tuabin, h th

làm vi c c a các thi t b sau: bình gia nhi t; kh

bình gia nhi t cao áp b ng tay, c n gi m d n nhi c c p v i t

 t vào làm vi c sau khi s a c

 M u vào và ra kh i bình gia nhi

 Hút khí ra kh i bình gia nhi t b ng cách m ch m van x khí, vì khi

x m ng l n không khí ra kh i bình gia nhi t h

 Khi bình gia nhi t làm vi c, ph nh k các thông s s

 Nhi

ngoài

 Áp su gi m áp su t tgia nhi t

t, th

ng ng p h th ng ng, t n th t áp su t t c n bình gia nhi

th ng ng c a bình gia nhi t cao áp r t d qua

và m c trong bình gia nhi

ng ng p n c bình gia nhi t gây th y kích và rung bình gia nhi t Khi ch

1.2 H ệ thống điều khiển lò hơi và h ệthống điều khi n bình gia nhi t nhà ể ệ

máy nhiệt điện

1.2.1 Lò hơi nhà máy nhiệt điện là một đối tượng điều khi n ể

n tuabin cnhi u thì nhi c truy n theo và sinh công càng nhi u, do v

t h th ng có nhi u vào và có nhi

t

m t thi t v i nhau, v i m i yêu c u ra là công su

này yêu c u m t h th u khi n t ng th u khi n giám sát

gi c s xen kênh gi a các h u khi n c

th ng