tổng quan chung
GIỚI THIỆU CHUNG
Điện năng là nguồn năng lượng thiết yếu trong cuộc sống và ngành công nghiệp hiện đại, được sản xuất từ nhiều phương pháp khác nhau và dựa vào nguyên liệu thiên nhiên Các nhà máy điện được phân loại theo loại nhiên liệu sử dụng, bao gồm nhà máy nhiệt điện sử dụng than, nhà máy thủy điện khai thác thế năng của nước, và nhà máy điện nguyên tử dựa vào năng lượng nguyên tử.
− Nhà máy điện nguyên tử
− Nhà máy điện năng lượng mặt trời, năng lượng gió….
Nhà máy nhiệt điện hiện nay là nguồn cung điện phổ biến, sử dụng nhiệt năng từ việc đốt các nhiên liệu hữu cơ như than, dầu và khí đốt để sản xuất điện năng Tại Việt Nam, các nhà máy nhiệt điện đóng góp một phần quan trọng vào mạng lưới điện quốc gia, với than và khí tự nhiên là nhiên liệu chính, trong khi nhiên liệu lỏng ít được sử dụng do nhiều hạn chế Theo thống kê đến năm 2020, nhiệt năng chiếm khoảng 70% tổng sản lượng điện toàn cầu, và tại Việt Nam, tổng công suất của các nhà máy nhiệt điện đạt khoảng 64,5% tổng công suất lắp đặt, sản xuất khoảng 70,8% sản lượng điện Những nhà máy này sử dụng nguyên liệu hóa thạch để chuyển đổi thành nhiệt năng, sau đó thành cơ năng để quay máy phát điện, với than là nguyên liệu chủ yếu.
Nguyên lý sản xuất điện tại nhà máy nhiệt điện là quá trình chuyển hóa nhiệt năng từ việc đốt cháy nhiên liệu trong lò hơi thành cơ năng quay của tuabin, sau đó chuyển đổi cơ năng này thành năng lượng điện trong máy phát điện Nhiệt năng được dẫn đến tuabin qua hơi nước, vốn là môi trường truyền tải nhiệt năng, nhưng cần đảm bảo chất lượng như áp suất và độ khô trước khi vào tuabin Mức độ nhiệt năng cung cấp tỷ lệ thuận với lượng điện năng phát ra Cuối cùng, điện áp từ máy phát điện sẽ được nâng lên qua hệ thống trạm biến áp trước khi hòa vào mạng lưới điện quốc gia.
Hình 1.1 Quá trình chuyển hóa năng lượng trong nhà máy nhiệt điện
Quá trình chuyển hóa hóa năng thành điện năng bắt đầu khi nhiên liệu như than đá, khí, hoặc dầu mỏ được nạp vào lò và đốt cháy với tỷ lệ oxy hợp lý để tối ưu hóa hiệu suất cháy Hóa năng của nhiên liệu được chuyển đổi thành nhiệt năng, làm nóng nước trong bao hơi của lò và tạo ra hơi nước Hơi nước đạt tiêu chuẩn sau đó được dẫn đến tuabin, nơi nó làm quay tuabin để sinh ra cơ năng Cuối cùng, sự quay của tuabin sẽ làm roto máy phát quay, từ đó sản sinh ra điện năng.
PHÂN LOẠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
Hiện nay, nhà máy nhiệt điện có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm loại nhiên liệu sử dụng, kiểu tuabin quay máy phát, dạng năng lượng cung cấp, và cấu trúc công nghệ.
A) Phân loại theo nhiên liệu sử dụng
Nhà máy nhiệt điện có thể được phân loại dựa trên loại nhiên liệu sử dụng, cho phép quan sát dễ dàng từ bên ngoài thông qua nhiên liệu đầu vào Các loại nhiên liệu phổ biến bao gồm than, dầu, khí tự nhiên và năng lượng tái tạo.
− Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu rắn.
− Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu lỏng.
− Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu khí.
− Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu hỗn hợp. b) Phân loại theo tuabin quay máy phát
Phân loại theo tuabin quay là một cách rất phổ biên để phân loại nhà máy nhiệt điện, có các kiểu nhà máy nhiệt điện sử dụng tuabin như:
− Nhà máy nhiệt điện tuabin hơi.
− Nhà máy nhiệt điện tuabin khí.
− Nhà máy nhiệt điện tuabin khí-hơi c) Phân loại theo dạng năng lượng cấp đi
Nhiều nhà máy nhiệt điện trên thế giới không chỉ sản xuất điện năng mà còn cung cấp nhiệt năng để làm ấm Tuy nhiên, tại Việt Nam, với khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm quanh năm, hầu hết các nhà máy nhiệt điện chỉ tập trung vào việc cung cấp điện năng Có hai hình thức cung cấp năng lượng chính.
− Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi (Chỉ cung cấp điện năng).
− Trung tâm nhiệt - điện (Cung cấp đồng thời cả nhiệt năng và điện năng).
D) Phân loại theo kết cấu công nghệ
Dựa vào kết cấu nhà máy nhiệt điện ta có thể phân loại như sau:
− Nhà máy điện kiểu khối.
− Nhà máy điện kiểu không khối.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
1.3.1 Các hệ thống và thiết bị chính trong nhà máy Để hiểu được nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện trước tiên ta cần phải biết trong nhà máy nhiệt điện cấu tạo ra sao? Gồm những phần nào?
Trong nhà máy nhiệt điện cũng như các nhà máy khác, có nhiều hệ thống và thiết bị quan trọng, mỗi hệ thống đảm nhiệm một vai trò riêng biệt và không thể thiếu để đảm bảo hoạt động hiệu quả của nhà máy.
Các hệ thống thiết bị chính như:
- Lò hơi và các thiết bị phụ
- Hệ thống điện nhà máy
- Hệ thông đo lường điều khiển
- Turbine – máy phát và các thiết bị phụ
- Hệ thống xử lý và vận chuyển than
- Hệ thống xử lý và vận chuyển đá vôi
- Hệ thống xử lý và vận chuyển tro xỉ
- Hệ thống cấp nước và xử lý nước
Để hiểu rõ quá trình vận hành của nhà máy nhiệt điện, chúng ta cần xem xét nguyên lý hoạt động của nó Dưới đây là sơ đồ thể hiện quá trình sản xuất điện năng trong nhà máy nhiệt điện.
Kho nhiên liệu là nơi dự trữ và pha trộn than trước khi cấp cho lò, đảm bảo hệ thống cung cấp nhiên liệu hoạt động hiệu quả Thiết kế hệ thống băng tải cung cấp than cho lò cần phải đồng bộ, nhằm duy trì quá trình sản xuất điện năng liên tục tại nhà máy nhiệt điện Hệ thống này cũng phải có khả năng hoạt động ổn định, đảm bảo cung cấp đủ than cho lò ngay cả trong trường hợp xảy ra sự cố băng tải hoặc mất điện.
Hệ thống nghiền than được thiết kế cho lò hơi đốt than trực tiếp, không sử dụng than bột trung gian Mỗi lò bao gồm nhiều máy nghiền than bằng bi, nơi than được cấp vào thông qua máy cấp than nguyên Than sau đó được sấy nóng bằng gió cấp 1 trước khi được thổi trực tiếp vào lò.
Lò hơi của dây chuyền là lò hơi kiểu tuần hoàn tự nhiên, với cấu trúc xung quanh là các giàn ống sinh hơi Trong lò, than được đốt cháy để sinh nhiệt, trao đổi với nước ngưng trong các giàn ống sinh hơi, tạo ra hơi bão hòa tích tụ trong bao hơi Hơi này được dẫn qua các phân ly dạng xyclon và tiếp tục qua các giàn quá nhiệt để sản xuất hơi quá nhiệt khô, đạt nhiệt độ và áp suất yêu cầu cho turbine Turbine được thiết kế với 3 cấp áp lực: hơi từ lò vào turbine cao áp, sau khi giãn nở, hơi được đưa qua giàn quá nhiệt trung gian để nâng nhiệt độ, rồi vào turbine trung áp và cuối cùng là turbine hạ áp về bình ngưng Công suất sinh ra trên trục turbine sẽ quay máy phát điện, biến năng lượng cơ thành năng lượng điện để phát lên lưới.
Bình ngưng (6) : Có nhiệm vụ ngưng hơi thoát từ turbine hạ áp thành nước ngưng
Bơm tuần hoàn (7) có chức năng cung cấp nước làm mát từ sông đến bình ngưng Một phần nước làm mát sau khi ra khỏi bình ngưng sẽ được sử dụng cho hệ thống xử lý nước, trong khi phần còn lại sẽ được xả ra kênh thải và trở lại sông.
Bơm ngưng (8): Bơm ngưng dùng để cung cấp nước ngưng cho khử khí
Hệ thống gia nhiệt hạ áp (9): Dùng để nâng nhiệt độ nước ngưng trước khi vào khử khí
Bình khử khí (10): Sẽ nhận hơi trích từ turbine trung áp để gia nhiệt nước ngưng tới trạng thái gần bão hòa để tách khí không ngưng
Bơm cấp (11): Dùng để cung cấp nước cho bao hơi Hệ thống gia nhiệt cao: dùng để nâng nhiệt độ nước cấp
Bộ hâm (13) có chức năng nhận nhiệt từ khói thoát ra sau các giàn quá nhiệt, giúp nâng nhiệt độ nước cấp gần bằng với nhiệt độ của nước trong hệ thống bao hơi.
Bộ sấy không khí (14): Bộ sấy không khí kiểu quay dùng để sáy không khí từ các quạt gió trước khi vào lò
Quạt gió cấp 1 được sử dụng để cung cấp gió cho quá trình sấy than và vận chuyển than vào lò, trong khi quạt gió chính có nhiệm vụ cung cấp gió cho quạt gió cấp 1 và cung cấp oxi cần thiết cho lò.
Quạt khói (17): Dùng để hút khói thoát của lò và để duy trì chân không buồng lửa
Nhiên liệu than được chuyển từ kho nhiên liệu qua hệ thống cung cấp và đưa vào hệ thống nghiền than, nơi than được sấy bằng gió nóng từ quạt Nước được xử lý hóa học và đưa vào bao hơi của lò, nơi xảy ra phản ứng cháy tạo nhiệt năng Khói nóng đi qua các dàn quá nhiệt và bộ hâm để tận dụng nhiệt trước khi thoát ra ngoài Nước trong bao hơi chuyển thành hơi và dẫn đến turbine, nơi hơi giãn nở quay turbine và máy phát điện, chuyển đổi năng lượng cơ thành điện Hơi sau khi sinh công được đưa về bình ngưng, nơi nước động thành nước nhờ hệ thống làm mát Nước ngưng sau đó qua các bình gia nhiệt hạ và bình khử khí, được bơm cấp và gia nhiệt trước khi trở lại bao hơi Hơi từ turbine được sử dụng để cung cấp nhiệt cho các bình gia nhiệt.
BÌNH NGƯNG TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
TỔNG QUAN VỀ BÌNH NGƯNG
Bình ngưng là thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt, sử dụng nước làm mát với ống vỏ nằm ngang, trong đó nước tuần hoàn đi qua ống và hơi thoát bên ngoài Chức năng chính của bình ngưng là tạo áp suất thấp sau tuabin, ngưng đọng hơi thoát để cung cấp nước ngưng sạch cho lò hơi và thực hiện quá trình khử khí cho nước ngưng Bình ngưng cũng thu nhiệt từ hơi thoát, bổ sung nước ngưng sạch và tận dụng nguồn xả có nhiệt độ thấp Thiết bị này được chia thành hai phần A và B, mỗi phần có hệ thống dẫn nước làm mát riêng biệt và được thiết kế với các khoang chứa nước có nắp tháo rời để kiểm tra và vệ sinh Bình ngưng còn có lỗ quan sát trên thân để theo dõi bề mặt và kết nối giữa hai phần hơi thoát, trong đó có hai bình gia nhiệt hạ áp.
Bình ngưng là thiết bị quan trọng trong chu trình nhiệt, có chức năng chuyển đổi hơi thoát từ tuabin hạ áp thành nước ngưng Quá trình này diễn ra trong một thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt, nơi hơi di chuyển bên ngoài ống và nước làm mát bên trong ống Mục tiêu chính của việc ngưng tụ hơi là tạo ra chân không sâu trong tầng cánh cuối của tuabin, nhờ vào sự giảm thể tích riêng của hơi một cách đột ngột Hiệu suất của tuabin phụ thuộc vào nhiệt độ và lưu lượng nước làm mát vào bình ngưng.
Ngoài ra, việc đưa hơi bão hòa sau khi ra khỏi tuabin hơi về nước giúp ta có thể chủ động bơm nước trở lại chu trình nhiệt.
Trong nhà máy nhiệt điện đốt than sử dụng tuabin ngưng hơi, hệ thống tuần hoàn bình ngưng đóng vai trò quan trọng trong chu trình nhiệt, giúp thải khoảng 40-45% nhiệt lượng mà nước nhận từ lò hơi Mặc dù lượng nhiệt cần thải rất lớn, nhưng quá trình này phải diễn ra ở nhiệt độ gần với nhiệt độ môi trường Do đó, hiệu quả thải nhiệt của chu trình nhà máy nhiệt điện phụ thuộc mạnh mẽ vào các yếu tố môi trường và điều kiện truyền nhiệt trong bình ngưng.
Lý thuyết chu trình nhiệt và thực tế vận hành tại các nhà máy nhiệt điện cho thấy rằng, chỉ cần một thay đổi nhỏ về điều kiện truyền nhiệt ở bình ngưng có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất sản xuất điện Khác với thông số hơi đầu vào tuabin, việc tăng nhiệt độ nước làm mát (nước tuần hoàn) vào bình ngưng khoảng 5°C có thể dẫn đến việc tăng tiêu hao của tổ máy lên khoảng 2-3%.
Ví dụ nước làm mát bình thường ở nhiệt độ 25 o C, áp suất P=0,065 bar, bảng so sánh công suất phát ra khi nước làm mát ở các nhiệt độ khác nhau:
Bảng 2.1 Bảng so sánh công suất phát ra khi nước làm mát ở các nhiệt độ khác nhau
Nhiệt độ nước làm mát(T o C) Chênh lệch áp suất bình ngưng (bar)
Công suất tổ máy giảm (MW)
2.1.1 Cấu tạo bình ngưng a) Cấu tạo chung
Bình ngưng bao gồm các giàn ống chứa nước làm mát và hố nước ngưng đặt ở dưới Hố ngưng có khoảng không cho phép thay đổi mức nước ngưng, sử dụng lượng nhiệt thừa để giảm sự qua hơi lạnh và nâng cao hiệu suất khử khí Thể tích của hố ngưng có khả năng chứa nước ngưng ở ba mức tối thiểu theo điều kiện làm việc tiêu chuẩn.
1- Nắp bình; 2- Ống xả khí không ngưng; 3- Ống Cân bằng; 4- Ống trao đổi nhiệt; 5- Ống gas vào; 6- Ống lắp van an toàn; 7- Ống lắp áp kế ; 8- Ống xả air của nước; 9- Ống nước ra; 10- Ống nước vào; 11- Ống xả cặn; 12- Ống lỏng về bình chứa
Hình 2.1 Cấu tạo bình ngưng.
Bình ngưng là thiết bị thiết yếu trong hệ thống tuabin, tạo áp suất thấp tại phần xả để tối ưu hóa hiệu suất sinh công của dòng hơi Đồng thời, nó cũng có chức năng ngưng tụ hơi thành nước để tái sử dụng Được trang bị hệ thống hút chân không để loại bỏ các khí không ngưng và hệ thống nước tuần hoàn, bình ngưng đảm bảo quá trình ngưng tụ diễn ra hiệu quả.
Bình ngưng có hai khoang dưới tuabin hạ áp, được đỡ cứng để đảm bảo sự ổn định Một ống nối dẻo kết nối giữa tuabin hạ áp và bình ngưng, cho phép hơi được ngưng lại khi nước làm mát đi vào Nước sau khi ngưng sẽ được dẫn xuống hố nước ngưng và sau đó được bơm đi Hệ thống bao gồm gia nhiệt hạ áp, gia nhiệt cao áp và thiết bị giảm áp suất, cùng với bơm cấp nước được đặt tại cổ bình ngưng.
Quá trình trao đổi nhiệt giữa nước (nguồn lạnh) và hơi trong bình ngưng diễn ra thông qua bình trao đổi nhiệt kiểu bề mặt Hình 2.2 minh họa cấu tạo của bình ngưng kiểu bề mặt.
1) Ống đồng; 2) Mặt sàng; 3) Vách ngăn buồng nước; 4) Buồng nước vào;
5) buồng nước ra; 6) Bình chứa nước ngưng.
Hình 2.2 Cấu tạo bình ngưng kiểu bề mặt.
Bình ngưng cần được thiết kế và lắp đặt một cách kín đáo để ngăn không khí bên ngoài xâm nhập, vì sự xâm nhập này có thể làm giảm độ chân không và gây ra sự giảm nhiệt độ đột ngột trên các bề mặt ống làm lạnh.
Nhiệt giáng của tuabin tăng lên khi tăng thông số đầu và giảm thông số cuối, tuy nhiên, nhiệt độ hơi thoát không được thấp hơn nhiệt độ của nguồn lạnh, điều này rất quan trọng trong chu trình kín theo định luật nhiệt động thứ hai Để nâng cao nhiệt giáng và hạ thấp nhiệt độ hơi thoát gần nguồn lạnh, bình ngưng cần duy trì trạng thái chân không Việc duy trì độ chân không này yêu cầu liên tục rút không khí ra khỏi bình ngưng, thường được thực hiện bằng thiết bị hút chân không gọi là Êjector, bao gồm Êjector hơi và Êjector nước, hoặc đôi khi sử dụng bơm chân không.
Êjector hơi, như mô tả trong Hình 2.3, bao gồm ống phun hơi công tác A và buồng thu nhận B, được kết nối với ống khuếch tán C Hơi được dãn nở trong ống phun đến áp lực tương đương với áp lực trong buồng thu nhận, gần bằng áp lực tại điểm rút hỗn hợp không khí – hơi nước Khi rời ống công tác, hơi có tốc độ cao, kéo theo hỗn hợp không khí – hơi nước từ buồng B vào ống khuếch tán Tại đây, hỗn hợp hơi và nước được nén đến áp suất đủ để thải ra khỏi Êjector.
Hình 2.3 Cấu tạo Êjector hơi.
2.1.2 Nguyên lý hoạt động và vận hành bình ngưng
Bình ngưng là thiết bị nhận hơi từ tuabin, nước đọng từ các thiết bị khác và hơi xả khẩn cấp, với cấu tạo làm mát bề mặt, luồng chia đơn và đối áp kép Mức nước trong giếng nóng của bình ngưng được điều chỉnh bằng van kiểm soát nước đã xử lý (van Bypass) Trong chế độ làm việc bình thường, giếng nóng nhận nước đã xử lý nhờ vào hút chân không của bình ngưng Khi mức nước đạt đến một vị trí nhất định, van kiểm soát sẽ đóng lại, và nếu mức nước tiếp tục tăng, van xả tràn sẽ được sử dụng để xả nước vào thùng chứa nước ngưng.
Bình ngưng được lắp đặt ngay sau hai tuabin áp suất thấp, nơi hơi nước được chuyển hóa thành nước Nó có hệ thống nước làm mát tuần hoàn và hệ thống hút chân không giúp ngưng tụ hơi nước nhanh chóng Nước từ bình ngưng sau đó sẽ được bơm tới các bình gia nhiệt hạ áp.
Hệ thống nước tuần hoàn sử dụng nhiệt từ hơi xả của tuabin để chuyển đổi hơi thành nước ngưng, đồng thời đảm bảo cung cấp nước làm mát đạt tiêu chuẩn cho bình ngưng trong mọi chế độ vận hành Nước làm mát di chuyển qua ống đồng từ dưới lên, trong khi hơi xả bao quanh bề mặt ống Bình ngưng được thiết kế với hai chặng chuyển động của nước làm mát, cho phép hơi ngưng tụ và chảy xuống bình chứa dưới đáy Nước ngưng sau khi ra khỏi bình ngưng có nhiệt độ cao sẽ được thải ra ngoài môi trường như biển, sông hoặc hồ, trong khi lượng nhiệt hấp thụ từ nước tuần hoàn có thể được sử dụng cho các mục đích như sấy, sưởi, chiếm khoảng 45-50% tổng lượng nhiệt sinh ra trong lò hơi khi đốt nhiên liệu.
PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ
Bình ngưng là thiết bị trao đổi nhiệt kiểu vách ngăn, thực hiện quá trình ngưng tụ phức tạp, trong đó xảy ra sự biến đổi pha từ hơi sang lỏng, gọi là tỏa nhiệt khi ngưng hơi Quá trình này chỉ diễn ra khi hơi dưới giới hạn nhiệt độ và áp suất, thường xảy ra trên bề mặt trao đổi nhiệt hoặc trong thể tích khối hơi khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bão hòa Trong các bình ngưng của tuabin nhà máy nhiệt điện, hơi ngưng tụ thành lỏng trên bề mặt rắn của thiết bị trao đổi nhiệt.
Nhiệt lượng trao đổi giữa hai chất tải nhiệt trong quá trình ngưng (năng suất trao đổi nhiệt) Q được tính theo phương trình trao đổi nhiệt:
Trong đó: Q là nhiệt lượng trao đổi (W).
KT là tốc độ trao đổi nhiệt (W/m 2 K).
A là diện tích trao đổi nhiệt hiệu dụng (m 2 ).
∆T là chênh lệch nhiệt độ giữa hai môi chất nóng và lạnh (K)
2.2.1 Đặc điểm quá trình ngưng tụ
Quá trình ngưng tụ hơi bão hòa gắn liền với việc biến đổi pha Để quá trình ngưng hơi trên bề mặt vật rắn cần phải có 2 điều kiện:
• Nhiệt độ bề mặt rắn phải nhỏ hơn nhiệt độ của hơi bão hòa tiếp xúc với bề mặt rắn.
• Trên bề mặt vật rắn phải có các tâm ngưng tụ Các tâm ngưng có thể là bọt khí, hạt bụi.
Tùy theo trạng thái bề mặt và tính dính ướt của chất lỏng, quá trình ngưng hơi trên bề mặt vật rắn gồm ngưng màng và ngưng giọt:
Ngưng màng là hiện tượng khi các giọt chất lỏng kết hợp với nhau tạo thành một lớp màng trên bề mặt vật rắn Hiện tượng này xảy ra khi chất lỏng có khả năng dính ướt hoàn toàn bề mặt vật rắn, với góc dính ướt lớn hơn π/2.
Ngưng giọt là hiện tượng khi các giọt chất lỏng không còn tồn tại riêng rẽ trên bề mặt vật rắn Hiện tượng này xảy ra khi chất lỏng không có khả năng ướt bề mặt vật liệu, thường gặp trên bề mặt nhẵn bóng hoặc khi có lớp dầu mỡ bám trên bề mặt.
Trong thực tế, trong bình ngưng xảy ra quá trình ngưng màng trên bề mặt vật rắn
Hình 2.6 Ngưng màng và ngưng giọt.
2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng quá trình trao đổi nhiệt khi ngưng
Trong quá trình ngưng tụ, sự chuyển động của dòng hai pha và quá trình chuyển đổi từ pha hơi sang pha lỏng chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trong đó có trạng thái bề mặt.
• Nếu bề mặt xù xì, nhám hay phủ một lớp oxit → trở lực tăng→ Chiều dày màng nước ngưng tăng→ hệ số tỏa nhiệt giảm.
• Nếu bề mặt có bám dầu mỡ → ngưng giọt xảy ra→ hệ số tỏa nhiệt tăng
Hệ số tỏa nhiệt bị ảnh hưởng chủ yếu bởi trạng thái bề mặt vách, không phải bởi loại vật liệu Cụ thể, trên bề mặt nhám hoặc có lớp oxit, hệ số tỏa nhiệt giảm từ 20% đến 30% Thực nghiệm cho thấy, khi ngưng hơi trên ống nằm ngang, hiệu quả tỏa nhiệt cao hơn nhiều so với ống đặt đứng Do đó, việc bố trí bề mặt truyền nhiệt là yếu tố quan trọng cần xem xét trong thiết kế Bên cạnh đó, sự hiện diện của các khí không ngưng trong hơi cũng có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình này.
Khi hơi chứa không khí hoặc khí không ngưng, quá trình tỏa nhiệt khi ngưng sẽ giảm đáng kể Điều này xảy ra vì không khí hoặc khí không ngưng tích tụ gần bề mặt vách, gây cản trở tiếp xúc giữa hơi và bề mặt Hơn nữa, lớp khí này tạo ra một trở kháng nhiệt lớn, làm giảm cường độ trao đổi nhiệt giữa hơi và bề mặt vách.
Khảo sát cho thấy cường độ tỏa nhiệt giảm gần 60% khi trong hơi có 1% khí không ngưng Do đó, trong thiết bị ngưng, cần bố trí thêm thiết bị rút khí tạo chân không để nâng cao hiệu suất hoạt động của bình ngưng Ngoài ra, tốc độ và hướng chuyển động của dòng hơi cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của quá trình ngưng.
Khi dòng hơi di chuyển với một tốc độ nhất định, lực ma sát tại bề mặt phân pha giữa hơi và màng ngưng sẽ ảnh hưởng đến tốc độ trung bình cũng như độ dày của màng ngưng.
Tốc độ của dòng hơi là nguyên nhân của sự xáo trộn, làm chế độ dòng chảy của màng ngưng mất ổn định như sau:
• Nếu dòng hơi chuyển động cùng chiều với màng ngưng → làm chuyển động của màng ngưng nhanh lên→ chiều dày màng ngưng giảm→ hệ số tỏa nhiệt tăng
• Nếu dòng hơi chuyển động ngược chiều với màng ngưng thì màng ngưng bị hãm lại→ chiều dày màng ngưng tăng→ hệ số tỏa nhiệt giảm.
Khi ngưng hơi ở áp suất thấp, tốc độ dòng hơi không tác động đến hệ số tỏa nhiệt Ngược lại, khi ngưng hơi ở áp suất cao, tốc độ dòng hơi sẽ ảnh hưởng đến hệ số tỏa nhiệt Ngoài ra, cách bố trí bề mặt ngưng cũng có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình này.
Tỏa nhiệt trên bề mặt ống nằm ngang lớn hơn bề mặt đặt đứng do chiều dày màng nước ngưng ở ống nằm ngang nhỏ hơn Do đó, ống dẫn nước làm mát thường được bố trí nằm ngang, nhưng điều này chỉ đúng với ống đơn hoặc dãy ống đầu tiên Các ống ở dưới có hệ số tỏa nhiệt thấp hơn vì nước ngưng từ các ống trên rơi xuống, làm tăng chiều dày màng nước ngưng ở dưới Để cải thiện hiệu suất tỏa nhiệt, các ống ở dãy dưới được đặt lệch so với các ống phía trên, có thể là bố trí song song hoặc so le.
Hình 2.7 Ngưng hơi trên bề mặt trùm ống nằm ngang.
NGUYÊN LÝ HỆ ĐIỀU KHIỂN BÌNH NGƯNG
Quá trình trao đổi nhiệt khi ngưng và thiết kế bình ngưng đã được trình bày, cùng với phân tích động học của quá trình này Tiếp theo, chúng ta sẽ khám phá nguyên lý hệ điều khiển nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ.
Hệ điều khiển bình ngưng có vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định nhiệt độ và áp suất ngưng tụ, đảm bảo chúng không thay đổi quá mức cho phép.
Việc duy trì nhiệt độ và áp suất ngưng tụ ổn định trong bình ngưng là rất quan trọng, vì áp suất ngưng tụ cao có thể làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt và tăng tiêu hao năng lượng, dẫn đến lãng phí và giảm tính kinh tế của hệ thống Ngược lại, nếu áp suất bình ngưng quá thấp, có thể gây ra hiện tượng bóp méo hoặc bẹp bình ngưng Do đó, việc giữ nhiệt độ ngưng tụ ổn định là cần thiết để đảm bảo quá trình ngưng diễn ra hoàn toàn, giúp chuyển đổi toàn bộ hơi bão hòa thành nước ngưng hiệu quả.
ĐỘNG HỌC VÀ THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN BÌNH NGƯNG
ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH NGƯNG TỤ
Để hiểu rõ hơn về quá trình ngưng tụ của nước, bài viết sẽ tập trung vào động học ngưng tụ trong bình ngưng Trong phần này, chúng ta sẽ tìm hiểu về công nghệ của bình ngưng cũng như các quá trình động học và năng lượng liên quan đến hơi nước và nước tuần hoàn trong hệ thống này.
Sơ đồ công nghệ bình ngưng được mô tả trên Hình 3.1.
Bình ngưng trong nhà máy nhiệt điện được điều khiển qua một sơ đồ công nghệ cụ thể Các biến quá trình của hệ thống được mô tả chi tiết trong Hình 3.2.
Hình 3.2 các đối tượng điều khiển và biến quá trình
• Lưu lượng hơi vào bình ngưng (Ws)
• Nhiệt độ hơi vào bình ngưng (Ts)
• Lưu lượng nước thoát ra (W2)
• Nhiệt độ nước tuần hoàn vào (TL1)
• Lưu lượng nước tuần hoàn (WL)
• Lưu lượng nước quay vòng (Wbs)
Biến cần điều khiển gồm:
• Nhiệt độ nước trong bình (Tw)
• Nhiệt độ nước tuần hoàn ra (TL)
Trong quá trình ngưng, toàn bộ hơi (Ws, Ts) chuyển đổi thành nước ngưng (Wc, Tc) ở nhiệt độ không đổi, diễn ra qua quá trình chuyển pha từ hơi sang lỏng với ẩn nhiệt.
3.1.1 Phương trình cân bằng khối lượng nước trong bình Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng đối với nước trong bình thu được phương trình:
Trong đó: Wc là lưu lượng nước ngưng (Kg/s).
W2 là lưu lượng nước thoát ra khỏi bình (kg/s).
Wbs làlưu lượng nước bổ sung cho bình ngưng (kg/s).
Wmax = W2max làlưu lượng nước thoát ra khỏi bình lớn nhất (kg/s).
V là thể tích bình ngưng (m 3 ).
Xét tại điểm làm việc cân bằng ta có :
Thay biểu thức (3.2) vào phương trình (3.1) thu được phương trình:
Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc phương trình (3.3) thu được:
Chia cả hai vế phương trình (3.4) cho Wmax thu được:
Biến đổi Laplace thuận 2 vế phương trình (3.5) kết hợp với biểu thức (3.6) thu được:
Phương trình (3.7) biễu diễn sự phụ thuộc biến cần điều khiển là mức nước bình ngưng (h) với biến điều khiển (Wbs) và biến nhiễu (Wc và W2).
3.1.2 Các phương trình cân bằng năng lượng a) Phương trình cân bằng năng lượng nước trong bình ngưng Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng cho nước trong bình thu được phương trình: w w w dT W c c c W2 w w W bs w w m C C T C T C T Q dt = − + − (3.8)
Trong đó: mw là khối lượng nước trong bình (Kg).
Cw là nhiệt dung riêng của nước trong bình (J/Kg.K).
Tw là nhiệt độ nước trong bình ( 0 K).
Cc là nhiệt dung riêng của nước ngưng (J/Kg.K).
Tc là nhiệt độ nước ngưng ( 0 K).
Q là năng suất trao đổi nhiệt (J/s).
Xét hệ làm việc tại điểm cân bằng ta có:
Thay biểu thức (3.9) vào phương trình (3.8) ta thu được phương trình: w w w w 0 0 20 2 w w0 w
Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc phương trình (3.10) thu được: w w w 0 0 20 w w 2 w w0
Phương trình (3.11) tương đương với phương trình: w w w w 20 w 0 w 0
Chia cả hai vế của phương trình (3.12) cho (W20−W ) bs 0 C w và đặt:
Ta thu được phương trình: w w (W0 W 0 W w 0 w W2 w w0 )
Biến đổi Laplace thuận 2 vế phương trình (3.14) thu được:
Phương trình (3.15) thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ nước trong bình (Tw) với biến điều khiển (Wbs) và các biến nhiễu (Wc, Tc, W2 và Q) Để mô tả quá trình này, chúng ta áp dụng định luật bảo toàn năng lượng cho nước tuần hoàn, từ đó hình thành phương trình cân bằng năng lượng.
Trong đó: mL là khối lượng nước tuần hoàn (Kg).
WL là lưu lượng nước tuần hoàn (Kg/s).
CL là nhiệt dung riêng nước tuần hoàn (J/Kg.K).
TL1 là nhiệt độ nước tuần hoàn vào ( 0 K).
TL là nhiệt độ nước tuần hoàn ra ( 0 K).
Xét hệ làm việc tại điểm cân bằng ta có:
Thay biểu thức (3.17) vào phương trình (3.16) ta thu được phương trình:
Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc phương trình (3.18) thu được:
Phương trình (3.19) tương đương với phương trình:
Chia cả hai vế của phương trình (3.20) cho W C L 0 L và đặt:
Ta thu được phương trình:
Biến đổi Laplace thuận 2 vế phương trình (3.22) thu được:
Phương trình (3.23) thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ nước tuần hoàn ra (TL) và các yếu tố điều khiển (WL) cũng như biến nhiễu (TL1 và Q) Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cân bằng năng lượng trong quá trình trao đổi nhiệt.
Năng suất trao đổi nhiệt giữa hai môi chất nóng và lạnh trong quá trình ngưng:
Trong đó: KT là tốc độ trao đổi nhiệt (J/s.m 2 K).
A là diện tích trao đổi nhiệt hiệu dụng (m 2 ).
Xét hệ làm việc tại điểm cân bằng ta có: w w0 w
Thay biểu thức (3.25) vào phương trình (3.24) ta thu được phương trình:
Q + ∆ =Q K A + ∆T − T + ∆T (3.26) Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc phương trình (3.26) thu được:
Biến đổi Laplace thuận 2 vế phương trình (3.26) thu được:
Phương trình (3.27) biễu diễn sự phụ thuộc biến nhiễu ra là năng suất trao đổi nhiệt (Q) với biến cần điều khiển (Tw) và biến nhiễu ra (TL).
CHỌN LỰA THIẾT BỊ
Bình ngưng là thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt, được thiết kế để ngưng tụ hơi thoát khỏi tuabin Ưu điểm của bình ngưng là tạo ra nước ngưng sạch, có thể cung cấp trực tiếp cho lò hơi Trong bình ngưng, nước lạnh lưu thông trong ống đồng, trong khi hơi nước ở bên ngoài ống thực hiện quá trình trao đổi nhiệt với nước lạnh.
Chọn bình ngưng K – 600 – 240 có đặc tính kĩ thuật như sau:
Lưu lượng nước làm lạnh: 36000 m 3 /h Kiêm tra diện tích trao đổi của bình ngưng được lựa chọn:
Bề mặt làm lạnh của binh ngưng được xác định theo công thức
Q I= −I : Lượng nước truyền cho bình ngưng.
Dk = 405 kg/s : Lưu lượng hơi đi vào bình ngưng.
IK = 23714 : entanpi hơi đi vào bình ngưng.
∆tcp : độ chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit giữa hơi và nước.
∆ = − : độ chênh lệch nước tuần hoàn ra vào bình ngưng tL = 35 o C tL1 = 25,07 o C
Ut : độ chênh lệch nhiệt độ giữa nước ngưng và nước tuần hoàn ra khỏi bình ngưng
∆ = + K : Là hệ số truyền nhiệt được xác định vào vận tốc nước, khi tốc độ nước trung bình từ 1,5 ÷ 3 m/s thì hệ số truyền nhiệt trung bình nằm trong khoảng 1714 ÷ 3490 W/m 2 o C
Thấy rằng Ftt = 7211 < Ftk = 10000 m 2 nên bình ngưng đã chọn là phù hợp
Tùy theo cấu tạo và công suất của tuabin mà có thể đặt hai, ba hoặc bốn bơm ngưng, trong đó ít nhất một bơm dự phòng.
Năng suất tổng của các bơm hoạt động liên tục cần phải đạt ít nhất bằng lượng nước ngưng tối đa thoát ra từ bình ngưng, bao gồm cả lượng nước bổ sung nếu có nước được cấp vào khoang nước của bình ngưng.
Năng suất của bơm ngưng được xác định dựa trên điều kiện làm việc xấu nhất, như khi tổ máy hoạt động ở mức tối đa và bình ngưng có độ chân không thấp, đặc biệt trong mùa hè Đối với tuabin cung cấp nhiệt, năng suất bơm ngưng nên được chọn khi tuabin hoạt động ở chế độ ngưng hơi mà không có cấp nhiệt Ngoài ra, giá trị tính toán của năng suất bơm ngưng cần có sự dự trữ khoảng 5 đến 10% so với giá trị cực đại.
Khi lựa chọn bơm ngưng, cần căn cứ vào cột áp và lưu lượng tính toán để chọn loại bơm phù hợp Ngoài ra, cần xem xét phạm vi điều chỉnh năng suất và công suất theo yêu cầu, cũng như các thông số làm việc như nhiệt độ và áp suất chân không trong bình ngưng Đối với động cơ kéo bơm, nên chọn theo công suất tính toán với dự trữ khoảng 5% và đảm bảo khả năng điều chỉnh cùng với đặc tính hiệu suất phù hợp.
3.2.2.1 lưu lượng của nước ngưng
Wng = Wk + W HA ch + We + Wrr (3.29)
Wng : Lưu lương nước ngưng,
Wk : Lưu lượng nước động ra khỏi bình
W HA ch : Lượng nước động của hơi chèn hạ áp
We : Lượng nước động trích vào ejector
Wrr : Lượng nước rò rỉ
Năng suất của bơm ngưng
Với υ: Thể tích riêng trong bình nước ngưng được lấy ở 97 o C
Tra bảng ta được: υ = 0,0010435 m 3 /kg
3.2.2.2 Cột áp của bơm nước ngưng
Pkk : Áp lực bình khử khí
Pk: Áp lực bình ngưng
PK = 0,063 bar, γ: Trọng lượng riêng trung bình của nước γ = ρ G ρ: Khối lượng riêng trung bình: ρ = 960,125 kg/m 3 g = 9,81 m/s 2 γ= 960,125 9,81 = 9418,8 N/m 3
Hk : Độ chênh mực nước từ bình ngưng đến bình khử khí
Tổng trở lực của đường hút và đường đẩy bao gồm trở lực từ các bình gia nhiệt hạ áp, thiết bị trao đổi nhiệt trên đường nước ngưng từ bình ngưng đến bình khử khí, cùng với các van trong hệ thống ống dẫn.
Lấy dự trữ cột áp 10%
Ta chọn được loại bơm sau:
Năng suất: 1200m 3 /h Cột áp: 220 mH2O
Số vòng quay: 2795 vòng/ phút
Công suất cần thiết của động cơ kéo bơm ngưng được xác định:
Hb = 220 mH2O = 21,5754 bar ηdc = 0,96: Hiệu suất động cơ ηH= 0,75: hiệu suất bơm nước ngưng suy ra
Từ các thông số trên em chọn động cơ để kéo bơm ngưng
Kí hiệu động cơ : BA0630L
Số vòng quay : 3000 vòng/phút Điện áp : 6 kW
Toàn nhà máy có 2 khối (600MW) sử dụng bốn bơm ngưng
3.2.3 Lựa chọn bơm tuần hoàn
Bơm tuần hoàn được lựa chọn trong mùa hè khi lưu lượng hơi vào bình ngưng đạt mức tối đa và nhiệt độ nước làm mát đầu vào cao nhất Đối với tuabin có cửa trích cho hộ tiêu thụ, bơm tuần hoàn được tính toán trong trường hợp hộ tiêu thụ không sử dụng nhiệt và tuabin hoạt động ở chế độ ngưng hơi Thông thường, không cần bơm tuần hoàn dự phòng; tuy nhiên, nếu sử dụng nước biển làm mát theo sơ đồ kín, cần thiết phải có bơm tuần hoàn dự phòng Trong các nhà máy điện sơ đồ khối, số lượng bơm tuần hoàn phải lớn hơn ba.
Khi tính toán năng suất bơm tuần hoàn, cần xem xét không chỉ lưu lượng nước cần thiết để làm mát bình ngưng mà còn các nhu cầu sử dụng nước khác trong nhà máy Điều này bao gồm việc làm mát đầu gối trục, làm mát khí, làm mát máy phát, cũng như các yêu cầu khác liên quan đến việc thải tro xỉ.
Bơm tuần hoàn, bơm ngưng và bơm cấp nước được lựa chọn dựa trên hai tiêu chí chính: năng suất và cột áp Động cơ kéo bơm cần được chọn theo công suất tính toán, bao gồm cả yếu tố dự trữ.
Phương trình cân bằng nhiệt của bình ngưng:
Qk = Wk ( Ik –I ’ k) = Wlm.( In2 – In1 ) (3.32) Trong đó:
Qk : Lượng nhiệt hơi truyền cho nước làm mát,
Wk : Lượng hơi vào bình ngưng,
Wlm : Lưu lượng nước làm mát vào bình ngưng,
In1 : Entanpi nước làm mát vào bình ngưng,
In2 : Entanpi nước làm mát ra khỏi bình ngưng,
C : Nhiệt dung riêng của nước
C = 4,195 kJ/kg o C t1 = 25,07 o C : Nhiệt độ nước làm mát vào bình ngưng t2 = 35 o C : Nhiệt độ nước làm mát ra khỏi bình ngưng
Từ công thức 3.31 suy ra
Lượng nước làm mát cần dùng cho các nhu cầu khác trong nhà máy Lượng nước này thường chiếm 5% so với lượng nước làm mát hơi nước.
Lượng nước thực tế qua bơm tuần hoàn
Wlmtt = 17402,7 kg/s Tính thêm 10% lượng nước thực tế qua bơm tuần hoàn
Wbth = 17402,7.110% = 19142,99 kg/s Năng suất của bơm tuần hoàn :
Dth = 0,5.Wbtm.υTrong đó : υ : Là thể tích riêng trung bình của nước tuần hoàn xác định ở nhiệt độ trung bình 25,07 35
Cột áp của bơm tuần hoàn có thể được giảm bằng cách sử dụng ống xiphong, giúp duy trì cột nước trong ống xả của bình ngưng dưới áp lực khí quyển Để đảm bảo hiệu quả, cần phải giữ cho dòng nước trong bình ngưng và hệ thống ống dẫn liên tục, ngăn không cho không khí xâm nhập Ngoài ra, ống xả của bình ngưng cần được đặt ngập dưới mực nước của giếng xả.
Cột áp của bơm tuần hoàn được tính:
∆Phh : áp lực cần thiết để dưa nước lên độ cao hình học hhh chọn ∆Phh = 0,3 bar
∆Pk : trở lực thuỷlực của bình ngưng
∆Ptl: trở lực thuỷlực đường ống;
∆Ptl = 0,5 bar Vậy cột áp của bơm tuần hoàn có tínhđến dự trữ 10% là
Từ năng suất Dth= 9,6m 3 /s Và ∆P = 13,2 mH 2 O ta có loại bơm sau
Năng suất : 35600 m 3 /h = 9,9 m 3 /s Cột áp : 14,9 mH 2 O = 1,46 bar
Số vòng quay : 365 vòng/ phút Hiệu suất bơm : 0,86
Công suất của động cơ cần thiết để kéo bơm tuần hoàn
P = 1697,67 kW Chọn động cơ có thông số:
Ký hiệu động cơ : AKH-17-44-18
Số Vòng quay : 370 vòng/phút Điện áp : 6 kV
Áp suất trong bình ngưng thấp hơn nhiều so với áp suất không khí bên ngoài, dẫn đến việc không thể tránh khỏi sự lọt khí qua các mối nối, van và khe hở Lượng không khí này ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình trao đổi nhiệt và làm giảm độ chân không trong bình ngưng Để duy trì độ chân không, cần thường xuyên rút khí ra khỏi bình Việc hút không khí trong bình ngưng được thực hiện bằng cách sử dụng các ejector hơi, với mỗi khối có hai ejector: một ejector chính và một ejector khởi động.
Chọn loại Ejector có thông số sau:
+ Ejector khởi động : ∃Π – 1 – 600 – 3 Áp lực hơi : 12 atm
Lượng không khí hút được : 80 kg/h Khối lượng ejector không có nước: 46 kg +Ejector chính : ∃Π – 3 – 600 – 4 Áp lực hơi : 12 atm
Lưu lượng hơi : 600 kg/hLưu lượng không khí hút được : 75 kg/hKhối lượng ejector không có nước : 216 kg
THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN
Mô hình toán học bình ngưng thu được thông qua bốn phương trình (3.7), (3.15), (3.23) và (3.27).
Số biến quá trình của mô hình là 10 ( Ws, Ts, W2, TL1, Wbs, WL, Q, TL, TW, h).
Số phương trình độc lập là 4.
Số bậc tự do của mô hình bằng 10 – 4 = 6 bằng số biến vào là 6 (Ws, Ts, W2,
Vì vậy mô hình đã đảm bảo tính nhất quán trong việc lựa chọn các biến vào ra và viết các phương trình cân bằng là chính xác.
Lựa chọn sách lược điều khiển phản hồi, ta có sơ đồ P&ID hệ điều khiển bình ngưng được cho trên Hình 3.3 như sau:
Hình 3.8 Sơ đồ P&ID hệ điều khiển bình ngưng.
Hệ gồm hai mạch vòng điều khiển:
Vòng điều khiển mức nước bình ngưng sử dụng cảm biến đo mức để phản hồi về bộ điều khiển PID Bộ điều khiển này sẽ so sánh tín hiệu nhận được với tín hiệu đặt, từ đó phát ra tín hiệu điều khiển lưu lượng van Bypass nhằm bổ sung nước, giúp duy trì mức nước ở mức mong muốn.
Vòng điều khiển nhiệt độ đo lường nhiệt độ nước thoát ra từ bình ngưng và gửi thông tin về bộ điều khiển nhiệt độ (PID) Bộ điều khiển này so sánh giá trị đo được với tín hiệu đặt, từ đó phát ra tín hiệu điều khiển lưu lượng van lạnh Quá trình này đảm bảo cung cấp đủ nước tuần hoàn, giúp quá trình ngưng tụ diễn ra hoàn toàn và duy trì nhiệt độ nước ở mức mong muốn.
Ngoài ra hệ thống còn có cảm biến đo và cảnh báo mức áp suất hơi cao vào bình ngưng nhằm kiểm soát áp suất ngưng trong bình.
Các van nước tuần hoàn và van nước quay vòng là van mở an toàn (khi sự cố xảy ra van sẽ tự động mở an toàn).
Hình 3.4 sơ đồ hệ điều khiển bình ngưng
MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN BÌNH NGƯNG
TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG
4.1.1 Thông số vật lý hệ thống
Số liệu lấy từ nhà máy nhiệt điện Mông Dương 2 a) Nước tuần hoàn
Bảng 4.1 Thông số vật lý nước tuần hoàn.
Thành phần Thông số kỹ thuật Ký hiệu Giá trị xác lập Giá trị Max Đơn vị
Nhiệt dung riêng CL 4183 J/Kg.K
Tốc độ trao đổi nhiệt KT 6,5.10 3 J/s.m 2 K
Diện tích trao đổi nhiệt A 18.10 3 m 2
Năng suất trao đổi nhiệt Q 936.10 6 W (J/s) b) Hơi vào bình ngưng
Bảng 4.2 Thông số vật lý hơi vào bình ngưng.
Thành phần Thông số kỹ thuật Ký hiệu Giá trị xác lập Giá trị Max Đơn vị
Lưu lượng hơi vào bình ngưng Ws 405 450 Kg/s
Nhiệt độ vào bình ngưng TS 80 100 0 C
Nhiệt dung riêng Cs 4195 J/Kg.K
Khối lượng riêng ρ s 10 3 Kg/m 3 c) Nước trong bình ngưng
Bảng 4.1 Thông số vật lý nước trong bình ngưng.
Thành phần Thông số kỹ thuật Ký hiệu Giá trị xác lập Giá trị Max Đơn vị
Lưu lượng nước thoát W2 450 450,3 Kg/s
Nhiệt dung riêng Cw 4200 J/Kg.K
Lưu lượng nước bổ sung Wbs 45 130 Kg/s
4.1.2 Tính toán mô phỏng a, Biến nhiễu vào
• Hàm truyền đối với nhiễu Wc:
• Hàm truyền đối với nhiễu Tc:
• Hàm truyền đối với nhiễu TL1:
• Hàm truyền đối với nhiễu W2:
• Hàm truyền đối với biến điều khiển WL:
• Hàm truyền đối với biến điều khiển Wbs:
Do hằng số thời gian của cảm biến quá nhỏ so với quá trình, ta bỏ qua.
• Hàm truyền đối với cảm biến đo Tw:
• Hàm truyền đối với cảm biến đo h:
• Hàm truyền đối với đối tượng Tw: w w
• Hàm truyền đối với đối tượng TL:
• Hàm truyền đối với đối tượng h: h ph h
4.1.3 Thiết kế và chỉnh định độ điều khiển PID
Hơn 95% các mạch vòng điều chỉnh trong công nghiệp hiện nay sử dụng bộ điều khiển PID, nhờ vào khả năng dễ hiểu và vận hành với ít tham số Bộ điều khiển này không yêu cầu mô hình quá trình, chỉ cần biết chiều hướng đáp ứng của quá trình PID có mặt trong tất cả các hệ thống DCS chính, thường đi kèm với nhiều chức năng mở rộng như tự động điều chỉnh, lập lịch và phân tích trạng thái mạch vòng.
Trong hệ thống điều khiển máy nhiệt điện hiện nay, các bộ điều khiển tiêu chuẩn PI và PID được sử dụng rộng rãi để quản lý hệ điều khiển chung của nhà máy, đặc biệt là trong việc điều chỉnh nhiệt độ và mức nước của bình ngưng.
Mô hình bộ điều khiển PID:
Hình 4.9 Mô hình bộ điều khiển PID.
Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào ra:
Trong hệ thống điều khiển, e(t) đại diện cho tín hiệu đầu vào, trong khi u(t) là tín hiệu đầu ra Hệ số khuếch đại được ký hiệu là k p, hằng số tích phân là T I và hằng số vi phân là T D.
Từ mô hình vào- ra trên ta tiến hành Lapace thuận 2 vế của (4.23) có được hàm truyền của bộ điều khiển PID dạng chuẩn:
Bộ điều khiển PID được ứng dụng phổ biến nhờ vào cấu trúc đơn giản và nguyên lý hoạt động hiệu quả Chức năng chính của bộ PID là điều chỉnh sai lệch e(t) của hệ thống về 0, đảm bảo quá trình quá độ đáp ứng đầy đủ các tiêu chí chất lượng cơ bản.
• Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua các thành phần u t P ( ), tín hiệu điều chỉnh u(t) càng lớn ( vai trò của khuếch đại k p ).
• Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua thành phần ( )u t I , PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh (vai trò của tích phân T I ).
Nếu độ lệch e(t) tăng, thì phản ứng của u(t) sẽ nhanh hơn thông qua thành phần u t D ( ) do vai trò của vi phân T D Biểu thức (4.24) có thể được diễn đạt song song như sau:
Trong bài toán này, chúng tôi sử dụng công cụ PID Tuner của Matlab để xác định các tham số của bộ PID Đồng thời, việc chỉnh định bằng tay cũng được thực hiện nhằm đạt được kết quả đáp ứng tối ưu nhất cho bài toán.
Bộ điều khiển nhiệt độ nước trong bình Gc Tw sử dụng bộ điều khiển PID với các tham số:
Bộ điều khiển mức nước trong bình Gc h sử dụng bộ điều khiển PID với các tham số:
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
Bài toán được mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.
Hình 4.10 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bình ngưng.
4.2.1 Mô phỏng hệ thống ở trạng thái cân bằng
Hình 4.11 Đáp ứng hệ thống ở trạng thái cân bằng.
Kết quả mô phỏng cho thấy, trong điều kiện không có nhiễu hệ, khi hệ làm việc ở trạng thái cân bằng và ổn định, nhiệt độ nước trong bình ngưng và mức nước trong bình ngưng giữ nguyên không thay đổi.
4.2.2 Mô phỏng đáp ứng hệ thống khi thay đổi lưu lượng hơi
Hình 4.12 Đáp ứng hệ thống khi thay đổi lưu lượng hơi W c
Từ kết quả mô phỏng trên, ta rút ra một vài nhận xét:
Khi tăng lưu lượng hơi vào bình ngưng từ 405Kg/s lên 450Kg/s, nhiệt độ nước trong bình tăng từ 36°C lên 36,5°C, dẫn đến tình trạng mất cân bằng Để khắc phục, bộ điều khiển phát tín hiệu tăng độ mở van lạnh, làm lưu lượng tăng từ 2000Kg/s lên 3600Kg/s, qua đó tăng lượng nhiệt được trao đổi và đưa nhiệt độ nước trở về mức 36°C, khôi phục trạng thái cân bằng.
−Ta thấy khi tăng lưu lượng hơi vào bình ngưng (từ 405Kg/s → 450Kg/s) làm
→ phát tín hiệu giảm độ mở van Bypass làm lưu lượng nước bổ sung giảm 45kg/s đưa mức nước trong bình về 0,5, hệ cân bằng.
4.2.3 Mô phỏng đáp ứng hệ thống khi thay đổi nhiệt độ hơi
Hình 4.13 Đáp ứng hệ thống khi thay đổi nhiệt độ hơi T c
Từ kết quả mô phỏng trên, ta rút ra một vài nhận xét:
Khi tăng nhiệt độ hơi vào bình ngưng từ 80 °C lên 95 °C, nhiệt độ nước trong bình cũng tăng từ 36 °C lên 36,2 °C, dẫn đến sự mất cân bằng hệ thống Để khắc phục, bộ điều khiển phát tín hiệu tăng độ mở van lạnh, làm lưu lượng tăng từ 2000 kg/s lên 2600 kg/s, qua đó tăng cường khả năng trao đổi nhiệt và đưa nhiệt độ nước trở về 36 °C, giúp hệ thống cân bằng trở lại.
−Ta thấy khi tăng nhiệt độ hơi vào bình ngưng (từ 80 0 C → 95 0 C) không làm cho mức nước trong bình thay đổi.
4.2.4 Mô phỏng đáp ứng hệ thống khi thay đổi nhiệt độ nước tuần hoàn vào
Hình 4.14 Đáp ứng hệ thống khi thay đổi nhiệt độ nước tuần hoàn vào T L1
Từ kết quả mô phỏng trên, ta rút ra một vài nhận xét:
Khi nhiệt độ nước tuần hoàn tăng từ 25,07°C lên 31°C, nhiệt độ trong bình cũng tăng từ 36°C lên 36,5°C, gây ra tình trạng mất cân bằng Để khôi phục sự cân bằng, bộ điều khiển phát tín hiệu tăng độ mở van lạnh, làm lưu lượng nước tăng từ 2000 kg/s lên 3200 kg/s, đưa nhiệt độ nước trở về mức 36°C.
− Ta thấy khi tăng nhiệt độ nước tuần hoàn vào (từ 25.07 0 C → 31 0 C) không làm cho mức nước trong bình thay đổi
4.2.5 Mô phỏng đáp ứng hệ thống khi thay đổi lưu lượng nước thoát
Hình 4.15 Đáp ứng hệ thống khi thay đổi lưu lượng nước thoát W 2
Từ kết quả mô phỏng trên, ta rút ra một vài nhận xét:
Khi lưu lượng nước thoát tăng từ 405Kg/s lên 435Kg/s do biến thiên điện áp cấp cho bơm hoặc áp suất cột áp, mức nước trong bình giảm từ 0,5 xuống 0,45, gây ra tình trạng mất cân bằng Bộ điều khiển sẽ phát tín hiệu điều chỉnh độ mở van Bypass, làm tăng lưu lượng bổ sung từ 45Kg/s lên 70Kg/s, giúp đưa mức nước trở về 0,5 và khôi phục trạng thái cân bằng.
Khi lưu lượng nước bổ sung tăng từ 45 kg/s lên 70 kg/s, nhiệt độ nước trong bình ngưng dao động từ 35,99 °C đến 36,006 °C Điều này dẫn đến sự thay đổi trong hệ thống phát tín hiệu điều khiển nước làm mát, với lưu lượng dao động từ 391 kg/s đến 411 kg/s, góp phần vào việc duy trì sự cân bằng trong hệ thống.
4.2.6 Mô phỏng tổng thể đáp ứng hệ thống
Hình 4.16 Đáp ứng hệ thống khi xét tổng thể.
Từ kết quả mô phỏng trên, ta rút ra một vài nhận xét:
− Khi thay đổi tổng thể giá trị biến nhiễu, hệ mất cân bằng Nhờ có bộ điều khiển PID phát tín hiệu điều khiển hệ cân bằng trở lại
− Hệ điều khiển đã thiết kế cho đáp ứng đúng bản chất và phù hợp với thực tế, Bộ điều khiển PID cho đáp ứng tốt.
