Nghiên cứu công nghệ và thiết kế hệ thống điều khiền bền vững mức nước bao hơi nhà máy điện rác thăng long

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ TỰ VIẾT TẮT 2 DANH MỤC HÌNH VẼ 3 LỜI NÓI ĐẦU 6 CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY ĐIỆN ĐỐT RÁC THĂNG LONG 7 1.1 Tổng quan 7 1.2 Hệ thống cấp nhiên liệu 8 1.3 Hệ thống lò đốt 10 1.4 Hệ thống nước cấp và hơi nước 12 1.5 Tuabin hơi 16 1.6 Hệ thống cấp gió cho lò 16 1.7 Hệ thống xử lý khói thải 19 1.8 Các hệ thống khác 21 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ VÀ TRANG BỊ ĐO LƯỜNG ĐIỀU KHIỂN CỦA HỆ THỐNG CẤP NƯỚC LÒ HƠI NHÀ MÁY 26 2.1 Vai trò của hệ thống 26 2.2 Hệ thống cung cấp và lưu thông nước của lò hơi 27 2.2.1 Cấu trúc hệ thống 27 2.2.2 Quá trình hâm nước và khử khí 28 2.2.3 Quy định về lưu lượng nước cấp 28 2.2.4 Quá trình co lại, sôi bồng và lưu thông nước trong bao hơi 30 2.3 Hệ thống điều khiển nước cấp 32 2.3.1 Hệ thống đo lường và hiển thị mức nước bao hơi 32 2.3.2 Yêu cầu đối với điều khiển nước cấp 34 2.3.3 Các hệ thống điều khiển nước cấp 36 2.3.4 Cơ cấu chấp hành 46 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.4 Hệ thống điều khiển nước cấp lò hơi nhà máy điện rác Thăng Long 50 CHƯƠNG 3: NHẬN DẠNG VÀ TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG MỨC NƯỚC BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN THĂNG LONG 52 3.1 Nhận dạng và mô hình hoá đối tượng điều khiển 52 3.1.1 Tổng quan 52 3.1.2 Phương pháp mô hình hoá đối tượng nhiệt năng 53 3.1.3 Nhận dạng đối tượng có tự cân bằng 55 3.1.4 Nhận dạng mô hình đối tượng không có tự cân bằng 57 3.2 Tổng hợp bộ điều khiển bền vững 58 3.2.1 Khái niệm chung 58 3.2.2 Đặt bài toán 60 3.2.3 Hệ thống điều khiển bền vững 61 3.2.4 Tổng hợp bộ điều chỉnh bền vững theo chất lượng cho trước 63 3.2.5 Tăng cường khả năng kháng nhiễu cho bộ điều khiển bền vững 64 3.2.6 Tổng hợp bộ điều chỉnh hai tầng 67 3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển mức nước bao hơi sử dụng phần mềm CASCAD 69 3.3.1 Giới thiệu phần mềm CASCAD 69 3.3.2 Trình tự tính toán trên phần mềm CASCAD 69 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH MỤC CÁC KÍ TỰ VIẾT TẮT RDF : Refuse Derived Fuel – Nhiên liệu nguồn gốc rác thải MCR : Max Continuous Rating – Công suất liên tục lớn nhất LFO : Light Fuel Oil – Dầu thô nhẹ BHF : Bag House Filter – Hệ thống lọc túi P: Proportional – Tỷ lệ I: Integral – Tích phân D: Diffirential – Vi phân LT: Level Transmit – Bộ truyền tín hiệu mức FT: Flowrate Transmit – Bộ truyền tín hiệu lưu lượng FIC: Flowrate Indicate and Control – Bộ hiển thị và điều khiển lưu lượng Q1T : Quán tính bậc nhất có trễ TpQT : Khâu tích phân có quán tính và có trễ 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Tổng quan về nguyên lý hoạt động 7 Hình 1.2: Lưu trình công nghệ của nhà máy 8 Hình 1.3: Hệ thống nạp nhiên liệu 8 Hình 1.4: Hệ thống silo và cấp liệu 9 Hình 1.5: Các khoang chính của lò đốt tầng sôi tuần hoàn 10 Hình 1.6: Minh hoạ dòng lưu chất trong buồng đốt lò đốt tầng sôi tuần hoàn 10 Hình 1.7: Van Loop 11 Hình 1.8: Cyclone 12 Hình 1.9: Hệ thống cấp nước 12 Hình 1.10: Nước qua bộ hâm nước vào trong bao hơi trên đỉnh lò 13 Hình 1.11: Nước từ bao hơi theo đường ống xuống 14 Hình 1.12: Bộ quá nhiệt 1 - 2 - Van loop 15 Hình 1.13: Hệ thống cấp khí sơ cấp 17 Hình 1.14: Hệ thống cấp khí thứ cấp được làm nóng 18 Hình 1.15: Hệ thống tuần hoàn khí thải 18 Hình 1.16: Hệ thống xử lý khói thải bán khô 19 Hình 1.17: Mô tả chung hệ thống xử lý khí và ống khói 20 Hình 1.18: Đầu đốt khởi động 21 Hình 1.19: Hệ thống cấp cát 22 Hình 1.20: Hệ thống thu hồi tro đáy 23 Hình 1.21: Hệ thống thu hồi tro bay 23 Hình 2.1: Hệ thống khử khí và cấp nước 27 Hình 2.2: Đặc tính đầu ra của hệ cấp nước với bơm tốc độ không đổi 29 Hình 2.3: Đặc tính đầu ra của hệ cấp nước với bơm tốc độ không đổi 30 Hình 2.4: Các chế độ cấp nước khi có hiện tượng sôi bồng và co lại 31 Hình 2.5: Cơ cấu đo và hiển thị mức nước sử dụng ống thuỷ 33 Hình 2.6: Quan hệ lưu lượng hơi - nước cấp - mức nước bao hơi 35 Hình 2.7: Đặc tính điều khiển nước cấp dùng bộ điều khiển on – off 36 Hình 2.8: Bộ điều chỉnh cấp nước nhiệt thuỷ lực 37 Hình 2.9: Cấu trúc mạch vòng điều khiển một tín hiệu 38 Hình 2.10: Đặc tính điều khiển của bộ điều khiển một tín hiệu 38 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 2.11: Sơ đồ điều khiển hai tín hiệu 40 Hình 2.12: Đặc tính điều khiển của bộ điều khiển hai tín hiệu 41 Hình 2.13: Đặc tính điều khiển của bộ điều khiển hai tín hiệu khi xét tới ảnh hưởng của áp suất nước cấp 42 Hình 2.14: Sơ đồ điều khiển mức nước bao hơi ba tín hiệu 42 Hình 2.15: Sơ đồ điều khiển ba tín hiệu có hiệu chỉnh 43 Hình 2.16: Đặc tính điều khiển của bộ điều khiển ba tín hiệu 44 Hình 2.17: Sơ đồ điều khiển ba tín hiệu có điều khiển thích nghi áp suất nước cấp 45 Hình 2.18: Sơ đồ điều khiển có sử dụng tín hiệu áp suất bao hơi 46 Hình 2.19: Biến tần Siemens 47 Hình 2.20: Cấu tạo của khớp nối thuỷ lực 48 Hình 2.21: Cấu trúc cơ bản của van cầu điều khiển bằng khí nén 49 Hình 2.22: Một số van điều khiển trong công nghiệp 50 Hình 2.23: Sơ đồ nguyên lý hệ thống cấp nước lò hơi nhà máy điện rác Thăng Long 51 Hình 3.1: Đặc tính quá độ đối tượng có tự cân bằng 55 Hình 3.2: Đáp ứng quá độ của đối tượng tích phân có quán tính và có trễ 57 Hình 3.3: Hệ thống điều khiển 1 vòng điển hình 60 Hình 3.4: Cấu trúc bộ điều khiển bền vững chất lượng cao 62 Hình 3.5: Các đáp ứng ra của hệ thống khi đối tượng có độ quán tính khác nhau 65 Hình 3.6: Đặc tính mềm của hệ hở với bộ điều chỉnh bền vững có tăng cường thành phần tích phân 65 Hình 3.7: Hệ điều khiển hai tầng và cấu trúc 1 vòng tương đương 67 Hình 3.8:sơ đồ khối hệ thống điều khiển mức nước bao hơi nhà máy điện rác Thăng Long 70 Hình 3.9: Đặc tính quá độ của van 70 Hình 3.10: Đối tượng Van O2 71 Hình 3.11: Đặc tính quá độ của bao hơi 71 Hình 3.12: Đối tượng bao hơi O1 72 Hình 3.13: Sơ đồ điều khiển trên CASCAD 72 Hình 3.14: Xác định bộ điều khiển R2 73 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 3.15: Xác định bộ điều khiển R1 73 Hình 3.16: Đặc tính quá độ của hệ thống chưa tăng cường kháng nhiễu 74 Hình 3.17: Bộ điều khiển R1 sau khi bổ sung tác động tích phân 74 Hình 3.18: Đặc tính quá độ của hệ thống sau khi tăng cường kháng nhiễu 75 Hình 3.19: Bộ điều khiển R1 tổng hợp lại 75 Hình 3.20: Đặc tính quá độ của hệ thống với bộ điều khiển R1** 76 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI NÓI ĐẦU Điện năng là nguồn năng lượng quan trọng gắn liền với nền sản xuất hiện đại, sự phát triển của một quốc gia được đánh giá bằng lượng và hiệu suất tiêu thụ năng lượng của nước đó Trong quy hoạch điện VIII, nhà máy nhiệt điện ngưng hơi sử dụng nhiên liệu hoá thạch không còn là yếu tố được phát triển trong hệ thống cung cấp năng lượng của Việt Nam, đặc biệt trong bối cảnh Việt Nam đang có những bước tiến mạnh mẽ trong lĩnh vực công nghiệp hóa, hiện đại hóa kèm theo giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực tới môi trường Ở Việt Nam, vấn đề về quản lý rác thải đã trở thành một thách thức ngày càng lớn, nhưng nhờ sự phát triển về công nghệ và nhận thức về môi trường, nhà máy điện rác đã trở thành một giải pháp khả thi để xử lý rác thải và tạo ra nguồn năng lượng tái tạo, giảm tác động tiêu cực tới môi trường Để đảm bảo hoạt động của nhà máy đạt hiệu suất tối đa và đảm bảo an toàn, điều khiển tự động là một yếu tố vô cùng quan trọng Điều khiển tự động trong nhà máy điện rác giúp tự động hoá các quá trình trong nhà máy, giúp nhà máy hoạt động liên tục và hiệu quả Trong các nhà máy nhiệt điện hay nhà máy điện rác, chúng ta đặc biệt quan tâm đến các thiết bị chính, như Lò Hơi là khâu đầu tiên để có thể sản xuất được điện Tại đây, Bao Hơi là một trong những thiết bị cần đặc biệt quan tâm vì môi trường làm việc khắc nhiệt, yêu cầu chính xác về cân bằng vật chất để đảm bảo việc hoạt động hiệu quả mà không xảy ra sự cố Chính về mức độ quan trọng của nó và các yêu cầu cần thiết về môi trường hiện nay, tôi đã chọn và được giao đề tài: “Nghiên cứu công nghệ và thiết kế hệ thống điều khiền bền vững mức nước bao hơi nhà máy điện rác Thăng Long“ Với những nội dung đó, đồ án được cấu trúc bởi 3 phần: - Tìm hiểu công nghệ nhà máy điện đốt rác Thăng Long - Nghiên cứu công nghệ và trang bị đo lường điều khiển của hệ thống cấp nước lò hơi của nhà máy - Nghiên cứu phương pháp và thiết kế bộ điều khiển bền vững điều khiển mức nước bao hơi lò hơi nhà máy 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY ĐIỆN ĐỐT RÁC THĂNG LONG 1.1 Tổng quan Hình 1.1: Tổng quan về nguyên lý hoạt động Nhà máy sử dụng công nghệ lò đốt tầng sôi tuần hoàn, công suất định mức là 30MW, với nhiên liệu đốt là chất thải rắn sinh hoạt sau khi được gia công - RDF RDF là loại nhiên liệu được tạo ra từ rác thải, thông qua các quá trình sấy khô, phá hủy, phân loại.v.v để loại bỏ các thành phần không cháy như độ ẩm, các loại kim loại, thủy tinh.v.v có trong rác sinh hoạt, sau đó chỉ gia công các thành phần có tính cháy và tạo nên nhiên liệu thô Nguyên lý hoạt động của hệ thống: Nước cấp vào lò được bơm từ bồn nước cấp qua van điều khiển, tới bộ hâm nước và đưa vào bao hơi Bên trong bao hơi, nước sẽ chảy xuống buồng đốt thông qua các đường ống xuống và đường ống cấp và sinh hơi, hơi sinh ra được đưa lại về bao hơi thông qua bộ tách hơi, dòng tuần hoàn của nước là chu trình tuần hoàn tự nhiên Hơi sau đó đi qua bộ tách hơi thứ cấp ở dạng hơi bão hoà, và được đi qua các bộ quá nhiệt, qua van điều khiển và đưa vào tuabin giãn nở sinh công quay máy phát Tuabin của nhà máy là loại ngưng tụ có trích hơi, một phần hơi sẽ được trích từ tuabin để gia nhiệt nước cấp và sử dụng các nhu cầu khác Sau khi giãn nở ở tuabin thì hơi được đưa đến bình ngưng, ở đó hơi trao đổi nhiệt với nước và 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ngưng tụ lại, sau khi ngưng nước được bơm về bồn nước cấp của lò và giải nhiệt tự nhiên Hình 1.2: Lưu trình công nghệ của nhà máy 1.2 Hệ thống cấp nhiên liệu Hình 1.3: Hệ thống nạp nhiên liệu 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hệ thống nạp nhiên liệu RDF bao gồm bồn chứa RDF và băng tải cấp liệu MCR (Max Continuous Rating) 1x100% Tường của bồn chứa RDF được chế tạo nghiêng âm để tránh sự cố khi cấp liệu Đường trích liệu được tạo thành bởi 1 máy cào đơn, vít đường kính lớn Vít được trang bị bộ biến tần để kiểm soát tỉ lệ cấp liệu qua một thùng nhỏ trung gian của hệ thống cấp liệu (có định lượng) Thùng đệm này được thiết kế để cố định mức nạp liệu Chức năng của hệ thống cấp liệu (có định lượng) nhằm cung cấp lưu lượng thích hợp với bộ điều khiển biến tần, được xác định bởi tín hiệu yêu cầu của tải lò đốt Hệ thống cấp liệu (có định lượng) cần thiết tới lò thông qua băng tải tấm có điều khiển tốc độ Băng tải này rút nhiên liệu theo nhu cầu vận hành từ thùng đệm Thùng đệm được trang bị một lô đè để đảm bảo một lực ép – dàn đều nhiên liệu RDF khi rút Tại điểm trút liệu của băng tải là một lô gạt nhằm đảm bảo một dòng cấp liệu đồng đều, không bị vón cục Hỗn hợp nhiên liệu rắn được đổ vào phễu cấp liệu lò, thông qua một van khóa xoay đường kính lớn, điều đó tạo thành 1 khóa khí/ga kín giữa đường cấp liệu và đầu vào của lò, có áp suất âm Van khóa xoay ngăn chặn rò rỉ không khí vào lò và đóng vai trò như lá chắn chống cháy ngược vào trong hệ thống cấp liệu Hình 1.4: Hệ thống silo và cấp liệu 9