Trong một hệ thống khép kín chu kỳ (tuần hoàn) nước làm mát được bơm từ bình ngưng qua các hệ thống giải nhiệt vào không khí xung quanh. Kết quả là nước làm mát nhiệt độ thấp hơn là sau đó trả lại cho hệ thống nước ngưng. Hệ thống làm mát khép kín chu trình có thể sử dụng hệ thống làm mát ướt, hệ thống
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 42
làm mát khô hay hay kết hợp ướt và khô. Những lựa chọn thay thế sẽ được mô tả trong phần này.
2.3.2.1 Làm mát ướt
Ao làm mát (hồ)
Ao (hồ) làm mát được sử dụng như là phương tiện cho việc chuyển giao cuối cùng của nhiệt thải từ bình ngưng hơi với bầu không khí thay cho tháp làm mát trong một số tuần hoàn hệ thống làm mát ẩm ướt. Truyền nhiệt giữa các ao (hồ) và không khí được thực hiện bằng bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt và bốc hơi nước từ mặt ao. Điều này đòi hỏi một bề mặt lớn để cho phép nhiệt trao đổi, mà đối với một số thiết kế được kết hợp với thiết bị phun mưa, tăng diện tích bề mặt hiệu quả cho nhiệt trao đổi bằng cách tạo ra những giọt nước. Ao (hồ) làm mát với thiết bị phun mưa cho phép bề mặt ao để được giảm để khoảng 5% diện tích của một ao đơn giản nhưng nó vẫn chiếm diện tích hơn 10-20% so với tháp làm mát.
Nước lạnh được bơm từ ao (hồ) và đi qua bình ngưng và trở lại ao (hồ) để nhiệt tản. Có thể tang cường giải nhiệt ao (hồ) bằng nước sông hình 2.7
Hình 2.7 Tuần hoàn ao(hồ) làm mát.
Một ví dụ cho ao (hồ) làm mát là Florida Power & Thổ Nhĩ Kỳ Point NPP Light tại Hoa Kỳ sử dụng một hệ thống kênh dài khoảng 270 km để làm mát cho
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 43
một diện tích bề mặt hiệu quả 1.560 ha. Trung bình thời gian cư trú của nước trong ao (hồ) là 40 giờ. Tổn thất bay hơi từ làm mát hệ thống kênh được bổ sung bởi lượng mưa, dòng chảy nước mưa nhà máy, và quá trình xử lý nước thải.
Tháp giải nhiệt
Tháp làm mát ướt (Hình 2.8; 2.9) giảm tổng khối lượng thu hồi nước từ môi trường gần 95% so với làm mát một lần thông qua. Mặc dù nước bay hơi so với tổng khối lượng nước làm mát là không đáng kể, nhưng nó vẫn là số lượng đáng kể lên tới 1 m3/s cho một MW (e) với nhà máy điện 1000. Vì vậy, các tháp vẫn cần phải được đặt gần một nguồn nước bổ xung.
Trong tháp làm mát nước, nước được đưa qua tháp làm mát và tiếp xúc với không khí gió cưỡng bức hoặc tự nhiên. Như nước đi qua tháp nó chuyển nhiệt nóng của nó không khí bởi sự đối lưu và chủ yếu là do sự bốc hơi. Nước làm mát được thu thập ở dưới cùng của tháp và bơm trở lại bình ngưng để tái sử dụng.
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 44
Hình 2.9 Sơ đồ tuần hoàn tháp giải nhiệt ướt (gió tự nhiên).
Bốc hơi trong một tháp giải nhiệt ướt phụ thuộc vào các điều kiện môi trường xung quanh hàng ngày tại địa phương, xác định bởi độ ẩm tương đối không khí và nhiệt độ bầu khô.
2.3.2.2 Làm mát khô
Nhu cầu nước làm mát nhà máy điện có thể ảnh hưởng với nông nghiệp, khu dân cư, công nghiệp, và yêu cầu về môi trường. Để giảm tiêu thụ nước trong các nhà máy nhiệt điện một cách tiếp cận thiết kế để thay thế các tháp làm mát bay hơi ướt trong hệ thống khép kín với tháp làm mát khô chỉ làm mát bằng không khí. Tuy nhiên, hệ thống làm mát khô là tốn kém hơn so sánh hệ thống ướt và sử hiệu quả giảm rõ rệt khi thời tiết nắng nóng. Trong khi mùa hè nóng nhất là những khi có điện là cần thiết nhất của lưới điện rễ gây thiếu hụt công suất. Trong thời tiết nóng nhất, khi nhu cầu điện năng cao nhất, hiệu suất nhà máy có thể giảm đến 25% trong tháp làm mát khô nguyên chất.
Hệ thống làm mát khô có thể được phân loại là trực tiếp và gián tiếp.
Trực tiếp
Trong một hệ thống làm mát khô trực tiếp, hơi từ tuabin được xả thiết bị trao đổi nhiệt để ngưng tụ và làm mát như hình 2.10. Hơi nước được ngưng tụ trong ống ngưng tụ, thải nhiệt cho không khí xung quanh qua các ống. Các tháp giải nhiệt khô có thể là gió tự nhiên hoặc cưỡng bức. Hệ thống này sẽ có một chiều
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 45
rộng lớn hơn khoảng 2,2 lần so với một tháp làm ướt và chiều cao lớn hơn khoảng 1,9 lần.
Hình 2.10: Sơ đồ trực tiếp làm mát khô
Tháp giải nhiệt khô gián tiếp
Hệ thống làm mát khô gián tiếp sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt cho thiết bị ngưng tụ ống vỏ. Nước lưu thông các ống ngưng tụ và sau đó được làm mát trong tháp làm mát khô đi qua tháp rồi trao đổi nhiệt với không khí qua bộ trao đổi nhiệt. Nước trung gian trao đổi nhiệt với không khí có thể là đối lưu cưỡng bức hoặc tự nhiên hình 2.11; 2.12.
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 46
Hình 2.12: Sơ đồ hệ thống làm mát tháp làm mát tự nhiên.
Hệ thống làm mát khô gián tiếp sử dụng một vòng lặp trung gian giữa bình ngưng và môi trường, giảm hiệu quả nhưng tăng kiểm soát của nhà điều hành quá trình. Điều này cho phép điều chỉnh nhanh chóng để đạt được giá ngưng tụ tối ưu và máy phát điện áp bằng cách điều chỉnh dòng chảy trong vòng lặp trung gian, làm mát khô gián tiếp phù hợp hơn cho các ứng dụng lớn hơn. Do hiệu suất nhiệt giảm, tuy nhiên, tổng chi phí của các hệ thống này thậm chí còn cao hơn.
Nước làm mát vào bình ngưng qua một tiêu đề phân phối phụ gắn kết. Bình ngưng là xây dựng thép carbon đơn giản và có một khối lượng nhẹ không thể so sánh với thiết bị ngưng tụ trên bề mặt. Điều này làm cho hogging (sơ tán không khí ban đầu) nhanh chóng và giữ của chân không dễ dàng.
2.3.2.3 Hệ thống làm mát kết hợp
Hệ thống làm mát khô và ướt đã được phát triển để tiết kiệm nước trong vùng khô hạn trong khi tránh chi phí cao của hệ thống làm mát khô đầy đủ và đảm bảo quá trình nhiệt độ thấp chất lỏng khi cần thiết. Hệ thống này cũng được sử dụng để duy trì công suất tuabin gần để thiết kế ngay cả dưới nhiệt độ không khí xung quanh đỉnh cao trong những tháng hè. Có được nhiều cách khác nhau để sử dụng tiết kiệm khi nhiệt độ thay đổi theo mùa.
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 47
Hình 2.13: Hệ thống nối tiếp kết hợp làm mát khô và ướt.
Hình 2.14: Sơ đồ hệ thống gián tiếp làm mát khô và ướt kết nối song song.
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 48
Hình 2.16: Sơ đồ kết nối song song hệ thống khô và ướt gián tiếp
Hình 2.17: Sơ đồ nối tiếp kết nối với hệ thống khô và ướt gián tiếp.
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 49
Hình 2.19: Sơ đồ hệ thống khô và ướt kết nối song song.
2.4 Kết luận:
Tác dụng của nước làm mát sử dụng trong nhà máy điện nguyên tử đóng vai trò quan trọng và không thể thiếu được. Chỉ khoảng hơn 30% năng lượng nhiệt chuyển thành năng lượng điện còn lại là lượng nhiệt dư cần loại bỏ. Đó là đặc thù của Nhà máy điện nguyên tử và các nhà máy nhiệt điện.
Công nghệ làm mát nói chung của các nước xứ lạnh người ta có thể kết hợp làm mát khô và làm mát ướt để nâng cao hiệu suất của chu trình nhiệt.
Đối với khí hậu nhiệt đới như ở nước ta có thể nói phương pháp làm mát khô là không có hiệu quả vì nhiệt độ luôn cao.
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 50
CHƢƠNG 3
PHƢƠNG PHÁP TỔNG HỢP HỆ THỐNG THEO QUAN ĐIỂM BỀN VỮNG 3.1 Đánh giá chất lƣợng hệ thống.
3.1.1 Khái niệm chất lƣợng quá trình điều khiển
Chất lượng điều chỉnh là tập hợp những yếu tố định lượng, thể hiện mức độ tốt xấu theo một nghĩa nào đó của quá trình điều chỉnh trong điều kiện làm việc nhất định. Những yếu tố định lượng đó gọi là chỉ số hay chỉ tiêu chất lượng điều chỉnh. Các chỉ số chất lượng được xác định theo đáp ứng ra của hệ thống đối với các tín hiệu vào khác nhau.
Nếu xét tín hiệu vào là một đại lượng ngẫu nhiên (không có dạng hàm xác định), thì chỉ tiêu chất lượng điều chỉnh cơ bản là độ chính xác động học trung bình, tức sai số quân phương giữa đại lượng điều chỉnh đầu ra và quỹ đạo mong muốn.
Nếu tín hiệu đầu vào là một hàm thời gian xác định, chất lượng điều chỉnh được xác định dựa theo đáp ứng ra của hệ thống đối với các dạng xung điển hình như xung bậc thang, xung đơn vị và xung dao động hình sin, v.v...
Thường phân biệt các chỉ tiêu chất lượng trực tiếp và gián tiếp. Những chỉ tiêu phản ánh trực tiếp và xác định trên đáp ứng quá độ gọi là chỉ tiêu trực tiếp. Còn những chỉ tiêu xác định dựa theo các đặc tính tần số của hệ thống, thì gọi là chỉ tiêu gián tiếp. Ngày nay, nhờ kỹ thuật tính toán phát triển, hầu hết các chỉ tiêu chất lượng điều chỉnh đều có thể tính toán dễ dàng.
3.1.2 Các chỉ tiêu chất lƣợng trực tiếp
Các chỉ tiêu chất lượng trực tiếp thể hiện rõ trên đáp ứng quá độ của hệ thống. Thường các chỉ số chất lượng được xác định dựa theo đáp ứng qui chuẩn, tức theo đáp ứng đối với xung bậc thang đơn vị (hình 3.1).
Trên hình 3.1-a, thể hiện đặc tính quá độ của hệ thống với giá trị xác lập
h()0, ví dụ là đáp ứng của hệ thống khi thay đổi giá trị đặt. Nếu là hệ phi tĩnh, thì không tồn tại sai lệch dư giữa giá trị xác lập và giá trị đặt: h()=z, (z - giá trị đặt). Trên hình 3.1-b, thể hiện đặc tính quá độ của hệ thống với giá trị xác lập
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 51
h()=0, ví dụ là đáp ứng đối với nhiễu bậc thang trong trường hợp hệ là phi tĩnh theo kênh nhiễu.
Hình 3.1. Đặc tính quá độ của hệ thống thay đổi giá trị đặt (a) và khi có nhiễu bậc thang (b).
Dựa theo đặc tính quá độ có thể xác định trực tiếp những chỉ số chất lượng sau đây:
1. Thời gian điều chỉnh (thời gian quá độ).
Thời gian điều chỉnh cho phép đánh giá độ tác động nhanh của hệ thống. Giá trị lý thuyết của thời gian điều chỉnh luôn luôn bằng vô cùng nhưng điều đó không liên quan gì đến tốc độ phản ứng của hệ thống. Trong thực tế, người ta quan tâm giá trị thời gian điều chỉnh thực: Tq – đó là khoảng thời gian tính từ khi xuất hiện xung đầu vào cho đến thời điểm mà kể từ đó đáp ứng ra sai lệch không quá so với giá trị xác lập (hình 3.1). Nói một cách khác, Tq là giá trị tối thiểu, thỏa mãn điều kiện:
h(t) – h() với mọi tTq , (3.1) trong đó, >0 – độ sai lệch cho trước, có thể bằng vùng không nhạy của hệ thống.
Trong thực tế, quá trình quá độ của hệ thống coi như đã kết thúc sau thời gian
Tq và kể từ đó, sự biến thiên của đại lượng điều chỉnh không vượt ra khỏi vùng không nhậy, bộ điều chỉnh không tác động nữa và hệ thống coi như đứng yên.
Độ sai lệch thường chọn trong khoảng: = (310%)h(). Nếu h() 0, thì vai trò h() thường được thay bởi giá trị đặt của hệ thống.
t h ( t ) O + h ( ) h m ax T q a , t O T q + h m ax b , h ( t )
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 52
Với cùng những chỉ tiêu chất lượng khác như nhau, một hệ thống có thời gian điều chỉnh càng nhỏ, thì nó càng tác động nhanh và chất lượng điều chỉnh càng cao.
Thời gian điều chỉnh là chỉ số chất lượng trực tiếp vì nó có thể được xác định trực tiếp theo đặc tính quá độ của hệ thống.
2. Sai lệch động cực đại và độ quá điều chỉnh.
Sai lệch động cực đại bằng độ biến thiên tối đa của đặc tính quá độ so với giá trị cân bằng ban đầu (hình 3.1):
) ( max max h t h t . (3.2)
Sai lệch động cực đại là chỉ tiêu phản ánh mức độ ảnh hưởng của tác động đầu vào nhất định, làm trệch quỹ đạo đầu ra của hệ thống. Đối với đầu vào điều khiển (đầu vào đặt hay định trị), khái niệm này có ý nghĩa để xác định tốc độ thay đổi cho phép tối đa của giá trị đặt trong quá trình điều khiển các thiết bị công nghệ.
Đối với đầu vào là tác động nhiễu, độ sai lệch động cực đại của đáp ứng đầu ra cho phép đánh giá khả năng kháng nhiễu của hệ thống. Giá trị sai lệch động cực đại càng nhỏ thì hệ thống có khả năng kháng nhiễu càng cao.
Mức độ điều chỉnh được đánh giá bằng một chỉ số gọi là độ quá điều chỉnh:
% 100 ) ( ) ( max h h h , (3.3) trong đó, hmax – giá trị lớn nhất (sai lệch động cực đại) của đáp ứng quá độ.
Nói chung, hiện tượng quá điều chỉnh là không mong muốn. Nhưng trong một hệ thống, yêu cầu giảm độ quá điều chỉnh thường dẫn đến tăng thời gian điều chỉnh và hệ thống càng trở nên tác động chậm. Trong thực tế, tuỳ theo đặc điểm của quá trình công nghệ cần điều khiển người ta áp đặt yêu cầu khác nhau về độ quá điều chỉnh, nhưng phổ biến nằm trong khoảng: = (10 – 50)%.
3. Độ tắt dần dao động của quá trình quá độ
Quá trình quá độ có thể có dạng biến thiên đơn điệu, phi chu kỳ hoặc dao động (hình 3.2). Quá trình là đơn điệu (đường số 1), nếu độ sai lệch giữa đường cong biến thiên và giá trị xác lập của nó luôn luôn giảm. Quá trình quá độ phi chu kỳ (đường số 2) có dạng biến thiên không đơn điệu nhưng có không quá một điểm
Hệ thống điều khiển điều khiển và bảo vệ nhà máy điện nguyên tử
HVTH: Lê Văn Hùng 53
cực đại. Quá trình quá độ dao động (đường số 3) là đường cong biến thiên với sự xuất hiện nhiều điểm cực đại và cực tiểu xen kẽ nhau.
Để đánh giá tính chất dao động của hệ thống người ta dùng khái niệm hệ số tắt dần quá trình quá độ xác định trực tiếp từ đặc tính quá độ, theo công thức:
1 2 1 2 1 1 1 A A A A A A A , (3.4) trong đó, A1, A2 – là độ sai lệch của đặc tính quá độ so với giá trị xác lập, tại hai đỉnh cực đại kề nhau; A – độ suy giảm biên độ hay độ tắt dần dao động
Hình 3.2. Các dạng đặc tính quá độ đơn điệu, 2- phi chu kỳ, 3- dao động.
Từ hệ số tắt dần có thể tính chỉ số dao động của quá trình quá độ:
) 1 ln( 2 1 m . (3.5) Quá trình quá độ tắt càng nhanh nếu (hay m) càng lớn. Khi =1 (m= )