Nghiên cứu hệ thống điều khiển các thiết bị cấp nhiên liệu than nghiền vào vòi đốt của lò hơi ở nhà máy nhiệt điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẬU TRƯỜNG LÂM NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ CẤP NHIÊN LIỆU THAN NGHIỀN VÀO VÒI ĐỐT CỦA LÒ HƠI Ở NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẬU TRƯỜNG LÂM

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ CẤP NHIÊN LIỆU THAN NGHIỀN VÀO VÒI ĐỐT CỦA LÒ HƠI Ở NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

Mã số: 60.52.01.14

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng - Năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Lưu Đức Bình

Phản biện 1: PGS.TS Lê Viết Ngưu

Phản biện 2: PGS TS Trần Xuân Tùy

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử họp tại Trường Đại học Bách Khoa

vào ngày 17 tháng 6 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

 Thư viện Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, ở Việt Nam có rất nhiều nhà máy nhiệt điện đốt than

sử dụng công nghệ điều khiển tương đối giống nhau, để sản xuất ra điện năng Với thị phần 35% tính tới ngày 31/5/2015 và dự kiến đến năm 2030 là 45% nối với lưới điện quốc gia (theo thống kê của Cục Điều Tiết Điện Lực- Bộ Công thương), nhà máy nhiệt điện cung cấp điện cho các hoạt động đời sống xã hội, công nghiệp và đảm bảo an ninh năng lượng cho quốc gia Như các nhà máy nhiệt điện Phả Lại, nhà máy nhiệt điện Hải Phòng, nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn1, nhà máy nhiệt điện Vũng Ánh, nhà máy nhiệt điện Ninh Thuận, nhà máy nhiệt điện Cà Mau Và nhiều nhà máy đang trong giai đoạn xây dựng: nhà máy nhiệt điện Mông Dương, nhà máy nhiệt điện Thái Bình, nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân, nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn 2, nhà máy nhiệt điện Đông Hồi, nhà máy nhiệt điện Công Thanh… Công nghệ sản xuất điện năng ở nhà máy nhiệt điện đốt than là quá trình phức tạp đòi hỏi độ tin cậy và tính ổn định cao Nên các nhà máy phải có mức độ tự động hóa rất cao với hệ thống điều khiển DCS mới nhất của các hãng nổi tiếng: Yokogawa, ABB, Siemens, Honeywell Điều đó đòi hỏi những người kỹ sư vận hành, bảo trì, bảo dưỡng phải có kiến thức chuyên môn cao để vận hành tốt nhà máy và trong quá trình vận hành đưa ra các cải tiến kỹ thuật nâng cao chất lượng làm việc của nhà máy

Việc nghiên cứu hệ thống điều khiển lò hơi là một yêu cầu cần thiết trong nhà máy nhiệt điện Trong đó hệ thống điều khiển cấp nhiên liệu than nghiền là một trong những khâu quan trọng của hệ điều khiển lò hơi, đóng vai trò trong tối ưu hóa quá trình cháy lò, tăng hiệu suất lò và giảm chi phí sản xuất

Trong quá trình vận hành tại nhà máy hay xãy ra tắc than từ phểu than xuống máy cấp than do than xấu, than có cục to gây dừng máy nghiền, có thể gây dừng tổ máy, cần phải đưa ra giải pháp để giải quyết vấn đề

Để đáp ứng nhu cầu thực tiễn sản xuất, cải tiến kỹ thuật tại nhà máy nhiệt điện, người nghiên cứu đề xuất đề tài “Nghiên cứu hệ thống điều khiển các thiết bị cấp nhiên liệu than nghiền vào vòi đốt của lò hơi ở nhà máy nhiệt điện”

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu hệ thống điều khiển các thiết bị cấp nhiên liệu than nghiền vào vòi đốt của lò hơi ở nhà máy nhiệt điện phục vụ cho quá trình khai thác vận hành và chuẩn đoán khắc phục sự cố, bảo trì bảo dưỡng hệ thống

- Xây dựng thuật toán điều khiển các thiết bị cấp nhiên liệu than nghiền vào vòi đốt của lò hơi ở nhà máy nhiệt điện

- Lập trình và mô phỏng với phần mềm trên máy tính

- Đưa ra giải pháp điều khiển xử lý vấn đề trong qua trình vận hành hệ thống, than cấp vào bị ướt, hoặc kích thước than có những cục than to, gây hiện tượng tắc than từ phểu than xuống máy cấp than gây dừng (trip) máy nghiền do sự cố

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

- Các thiết bị hệ thống cấp nhiên liệu than nghiền vào vòi đốt của lò hơi ở nhà máy nhiệt điện đốt than gồm có thiết bị đo, van, máy cấp và máy nghiền

- Hệ thống điều khiển DCS Centum VP Yokogawa

- Các cấu trúc, thuật toán điều khiển Than cấp cho lò hơi được cấp phểu than đổ xuống máy cấp vào máy nghiền rồi được gió cấp 1

thổi vào vòi đốt của lò Điều khiển nhiên liệu than nghiền vào vòi đốt gồm những vòng điều khiển chính:

 Vòng điều khiển mức than trong thùng nghiền của máy nghiền

 Vòng điều khiển lưu lượng than nghiền đi vào vòi đốt của lò hơi

- Sự cố tắc than từ phểu than xuống máy cấp than gây dừng máy nghiền do sự cố

- Nghiên cứu về các lưu đồ P&ID và thuật toán điều khiển

- Hệ thống điều khiển DCS Centum VP Yokogawa

- Đưa ra giải pháp xử lý hiện tượng tắc than từ phểu than xuống máy cấp than gây dừng máy nghiền

4 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực

tế tại nhà máy nhiệt điện

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học

Đề tài nghiên cứu nguyên lý làm việc và cấu tạo các thiết bị cấp than nghiền vào vòi đốt nhà máy nhiệt điện, lý thuyết về phần mềm điều khiển DCS Centum VP Yokogawa, bộ điều khiển PID và khả năng ứng dụng điều khiển DCS, bộ điều khiển PID cho điều khiển hệ thống thiết bị cấp than nghiền vào vòi đốt nhà máy nhiệt điện

Ý nghĩa thực tiễn

- Đề tài sẽ đáp ứng nhu cầu thực tiễn sản xuất về vận hành, chuẩn đoán và khắc phục sự cố trong vận hành và cải tiến hệ thống tại nhà máy nhiệt điện

- Đưa ra giải pháp xử lý hiện tượng tắc than từ phểu than xuống máy cấp than gây dừng máy nghiền

6 Cấu trúc luận văn

Đề tài được trình bày trong 4 chương, phần mở đầu và kết luận

- Phần mở đầu: giới thiệu về lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài, cấu trúc của luận văn

- Chương 1: giới thiệu chung về nhà máy nhiệt điện và cơ cấu chấp hành

- Chương 2: giới thiệu về lý thuyết điều khiển, bộ điều khiển PID, lưu đồ P&ID, thuật toán điều khiển các vòng điều khiển trong

hệ thống điều khiển than nghiền

- Chương 3: lập trình và mô phỏng hệ thống điều khiển

- Chương 4: trình bày sự cố tắc than từ máy cấp than xuống máy nghiền và đưa ra giải pháp điều khiển khắc phục sự cố

- Phần kết luận và triển vọng: trình bày kết quả mô phỏng, áp dụng thực tế và hướng phát triển đề tài

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

1.1 Giới thiệu chung về nhà máy nhiệt điện

Hiện nay các nhà máy nhiệt điện hiện đại thường có hai tổ máy, mỗi tổ máy gồm 1 lò hơi,1 tuabine, 1 máy phát với công suất 2x300 MW, 2x600 MW…

Than được vận chuyển theo đường biển, bốc dỡ ở cảng than rồi đưa lên hệ thống vận chuyển than cấp vào máy nghiền, than nghiền mịn sau máy nghiền được gió cấp 1 vận chuyển và thổi vào các vòi đốt của buồng lửa, gió cấp 2 được quạt gió cấp 2 (FDF) thổi vào buồng đốt cho quá trình cháy của lò Sản phẩm cháy sinh nhiệt, khói và tro xỉ

Tro xỉ được làm nguội trong phễu tro lạnh, đông đặc thải ra ngoài dưới dạng xỉ khô Những hạt tro xỉ bị cuốn theo dòng khói đi qua bộ khử bụi ESP bị tách ra và giữ lại, chỉ còn khói thải được xử lý tại FGD và ra ngoài theo đường ống khói

Nước cấp từ bộ hâm, được gia nhiệt rồi đưa vào bao hơi Sau

đó nước sẽ đi xuống theo các ống xuống, qua ống góp dưới rồi đi lên theo dàn ống sinh hơi nhận nhiệt, trong các dàn ống này nước nhận nhiệt từ quá trình đốt trong buồng đốt biến thành hơi tạo thành hỗn hợp nước và hơi, rồi lại trở về bao hơi Ở đây, hơi được tách ra thành hơi bão hoà Phần nước còn lại chưa hóa hơi tiếp tục trở về dàn ống xuống cùng với nước cấp tạo thành vòng tuần hoàn tự nhiên Hơi bão hòa được dẫn qua các bộ quá nhiệt thành hơi quá nhiệt, đảm bảo ở nhiệt độ (538C), áp suất (16,67 MPa) vào tuabin cao áp để sinh công lần thứ nhất Sau đó lại được đưa vào bộ gia nhiệt rồi lại tiếp tục được đưa vào tuabin trung áp (t = 538C, p = 40,11 MPa) để sinh

công lần thứ 2 Từ tuabin trung áp hơi được dẫn thẳng tới tuabin hạ

áp để sinh công lần cuối

Hơi sau khi đã sinh công từ tuabin hạ áp sẽ được đưa xuống bình ngưng để ngưng trở lại thành nước Bình ngưng có hệ thống nước làm mát tuần hoàn (CCCW), làm hơi được ngưng tụ Sau đó nước từ bình ngưng sẽ được hệ thống bơm ngưng, bơm tới các bình gia nhiệt hạ áp LP1, LP2, LP3 Tại đây nước sẽ được làm nóng lên bởi hơi trích ra từ tuabin hạ áp Sau khi ra khỏi các bình gia nhiệt hạ

áp nước được đưa tới bình khử khí để khử hết các bọt khí có lẫn trong nước Qua hệ thống bơm cấp, nước được tiếp tục đưa tới các bình gia nhiệt cao áp HP5, HP6, HP7 sẽ tiếp tục được nâng nhiệt độ bởi hơi trích ra từ các tuabin cao áp rồi đưa tới bộ hâm

Hơi bão hòa vào tuabin, làm quay turbine Turbine làm quay máy phát và được kích thích bởi dòng điện kích từ sẽ sản sinh ra điện Điện áp phát ra đầu cực máy phát điện sẽ được đưa vào biến áp đưa lên mức điện áp thích hợp rồi đấu nối vào lưới điện quốc gia tại trạm điện

Nhà máy nhiệt điện thực hiện quá trình chuyển nhiệt năng từ quá trình đốt nhiên liệu với môi trường truyền dẫn là hơi nước và biến thành cơ năng tại turbine (quay turbine và máy phát) Cơ năng biến thành năng lượng điện trong máy phát

1.2 Hệ thống cấp than nghiền vào vòi đốt của lò hơi

Than là nguyên liệu sử dụng chính cho quá trình cháy trong lò hơi nhà máy nhiệt điện chạy than Than được nghiền trước khi thổi vào buồng đốt và phải đảm bảo các tiêu chuẩn đặt ra để quá trình cháy là tối ưu:

- Độ ẩm của than

- Tro chứa trong than

- Nhiệt trị của than

- Độ mịn của than

Một hệ thống than nghiền được minh họa trong hình 1.3 Đây là

hệ thống hiện nay được dùng rất phổ biến Phụ thuộc vào loại máy nghiền được sử dụng, mỗi máy nghiền sẽ cấp than cho một số vòi đốt nhất định Một hệ thống cấp nhiên liệu than nghiền gồm các phần tử sau:

- Máy cấp than (Coal feeder)

- Máy nghiền và bộ phân ly (Pulverizer and classifier)

- Gió cấp 1 vận chuyển than vào vòi đốt

Than thô được vận chuyển bằng tàu biển, được bốc dỡ bởi cẩu trục (Ship unloading) Than được hệ thống băng tải (Coal conveyor system) vận chuyển vào kho than Than trong kho được đồng nhất bởi máy đánh đống và phá đống, sau đó theo băng tải đưa vào bunker của máy cấp than

Máy cấp than cấp than vào thùng nghiền máy đảm bảo than trong thùng nghiền luôn ở một mức cố định đặt trước Than sẽ được máy nghiền nghiền mịn trong thùng nghiền Kích thước than đạt yêu cầu cỡ vài µm Than sau khi nghiền sẽ đi qua bộ phân ly của máy nghiền đảm bảo đạt độ mịn yêu cầu trước khi đi vào vòi đốt Quạt gió cấp 1 PAF (Primary air fan) cung cấp gió cấp 1, đi theo 2 đường ống,

1 đường đi thẳng gọi là đường gió lạnh và 1 đường đi qua hệ thống gia nhiệt (Airheater) gọi là đường gió nóng Sau đó gió từ 2 đường này sẽ đi chung vào một đường và đi vào máy nghiền Than nghiền mịn từ máy nghiền sẽ được gió vận chuyển tới vòi đốt của lò

mỗi thành phần hệ thống và quan hệ của chúng được thể hiện một cách trực quan với sơ đồ hình

Sau đây giới thiệu về các thiết bị đo, thiết bị chấp hành và thiết

bị điều khiển thường được sử dụng trong hệ thống điều khiển điều khiển nhiên liệu than nghiền vào vòi đốt

1.3.1 Thiết bị đo

Một thiết bị đo quá trình có nhiệm vụ cung cấp thông tin về diễn biến của quá trình kỹ thuật và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình được minh hoạ như trên hình 1.6 Thành phần cốt lỏi của thiết bị đo là cảm biến Cảm biến (Sensor)

có chức năng biến đổi một đại lượng vật lý (nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lương…) sang tín hiệu điện hoặc khí nén Tín hiệu từ cảm biến sẽ được khuếch đại, chuyển đổi, lọc nhiểu và điều chỉnh dải, bù sai lệch và tuyến tính hóa bởi bộ chuyển đổ chuẩn đo chuẩn (Transmitter) Đầu ra của bộ transmitter thường là tín hiệu điện 4-20mA

1.3.3 Máy cấp than

Nguyên lý: Động cơ dẫn động máy cấp than nguyên có thể

thay đổi tốc độ bằng bộ biến tần và điều chỉnh tải theo sự thay đổi mức than của máy nghiền khi yêu cầu tải tăng lên thì tốc độ máy cấp

phải điều chỉnh tăng lên để đáp ứng lượng than yêu cầu Có 2 loại máy cấp than, máy cấp than thể tích và máy cấp than trọng lượng Hiện nay các nhà máy nhiệt điện đều sử dụng loại máy cấp than trọng lượng của các hãng như Stock Equipment Company, Schench process, Siemens…

1.3.4 Máy nghiền

Máy nghiền có nhiệm vụ nghiền than thô từ máy cấp đưa xuống thành than bột với kích thước nhỏ rồi đưa vào vòi đốt Có ba loại máy nghiền sử dụng trong nhà máy nhiệt điện:

- Máy nghiền dạng tiêu hao (Attrition mill) (máy nghiền tốc độ cao)

- Máy nghiền thẵng đứng (Vertical spindle mill) (máy nghiền tốc độ trung bình)

- Máy nghiền bi (Ball mill) (máy nghiền tốc độ thấp)

Bộ phận phân ly: Than sau khi được nghiền trong máy nghiền

được hỗn hợp gió nóng và lạnh vận chuyển ra khỏi máy nghiền tới bộ phân ly Bộ phân ly sẽ loại bỏ than có kích thước lớn ra khỏi than mịn trước khi cấp vào vòi đốt Than có kích thước lớn sẽ quay trở về máy nghiền để nghiền lại Bộ phân ly làm việc theo kiểu ly tâm sẽ đập vào các màng lọc gồm các lỗ nhỏ, các hạt than lớn bị giữ lại, rơi xuống lại máy nghiền và các hạt than nhỏ sẽ được đi qua Có hai loại phân ly: Phân ly động và phân ly tĩnh

CHƯƠNG 2 CẤU TRÚC VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN

2.1 Cơ sở lý thuyết

2.1.1 Bộ điều khiển PID

PID (Proportional-Integral-Derivative) là bộ điều khiển bao gồm khâu khuyếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D)

- Thuật toán PID được biểu diễn trên miền thời gian như sau:

dt

t de K dt t e K t e K t



2.1.2 Chọn bộ điều khiển PID

Nếu như quá trình có đặc tính của một khâu bậc hai và hằng số thời gian của một khâu tương đối nhỏ Một trường hợp tiêu biểu là bài toán điều khiển nhiệt độ với một hàng số thời gian của quá trình truyền nhiệt và một hằng số thời gian của cảm biến Thành phần D đặc biệt có tác dụng khi hai hằng số thời gian khác nhau nhiều Lưu ý rằng tác động vi phân rất nhạy cảm với nhiễu đo, vì thế nên hạn chế

sử dụng nếu không có biện pháp lọc nhiễu thích hợp Đối với các bài toán điều khiển quá trình thông dụng, ta có thể lựa chọn kiểu bộ điều khiển phù hợp

2.1.3 Chỉnh định bộ điều khiển PID

Có rất nhiều phương pháp chỉnh định (Tunning) hệ số Kp, Ki,

d

K của bộ PID Các phương pháp tunning thường dùng sau đây:

- Phương pháp sử dụng các công cụ của phần mềm

- Phương pháp Ziegler-Nichols

 Ziegler-Nichols 1 (ZN-1)

 Ziegler-Nichols 2 (ZN-2)

2.2 Vòng điều khiển lưu lượng than nghiền vào vòi đốt của lò hơi

Điều khiển nhiên liệu than nghiền vào buồng đốt là một trong những vòng điều khiển quan trọng bậc nhất của lò hơi, nó sẽ đảm bảo cân bằng giữa năng lượng đầu vào và đầu ra Công suất phát điện của của tổ máy tỉ lệ với lưu lượng và áp suất hơi quá nhiệt đưa vào turbine Điều khiển công suất của tổ máy chính là điều khiển lưu lượng và áp suất hơi vào turbine Lưu lượng hơi quá nhiệt vào turbine

có thể được đo khá chính xác tại đầu vào turbine hoặc tầng cánh thứ nhất của turbine Sản lượng hơi sinh ra phụ thuộc vào nhiệt năng cung cấp cho nước Nhiệt năng cung cấp cho nước càng lớn thì lương hơi sinh ra càng nhiều và ngược lại Do vậy sản lượng hơi sinh ra phụ thuộc vào quá trình cháy của lò hơi, tức là phụ thuộc vào lượng nhiên liệu, gió đưa vào lò cho quá trình cháy và lượng nước cấp từ bơm cấp lên bao hơi Mặt khác lưu lượng hơi là đại lượng có quan hệ chặt chẽ với áp suất hơi, mỗi thay đổi của lưu lượng hơi đều dẫn tới sự thay đổi của áp suất hơi Khi có sự thay đổi về lưu lượng hơi đáp ứng yêu cầu tải thì yêu cầu đặt ra với hệ thống điều khiển là phải giữ cho áp suất hơi không đổi

Như vậy lưu lượng hơi và các thông số như lưu lượng nhiên liệu, lưu lượng nước cấp vào bao hơi, lưu lượng gió có mối quan hệ chặt chẽ với nhau, tác động qua lại với nhau Để điều chỉnh lưu lượng hơi thì phải điều chỉnh các thông số trên

Giá trị đặt cho tổng lưu lượng nhiên liệu là tổng năng lượng điện yêu cầu MW được tính toán quy đổi trong vòng điều khiển Boiler Master bằng tổng lượng nhiệt yêu cầu Thông thường, một tổ máy của nhà máy nhiệt điện có 4 máy nghiền, mỗi máy nghiền có 2 máy cấp than cho máy nghiền Yêu cầu tải đặt xuống vòng điều khiển Boiler Master, từ vòng điều khiển Boiler Master sẽ tính toán lưu