Phương pháp xây dựng mô hình hệ tuabin – máy phát
Mô hình hệ tuabin – máy phát trong nhà máy nhiệt điện tuabin ngưng hơi bao gồm động cơ tuabin hơi với ba tầng: cao áp, trung áp và hạ áp Công suất hơi đầu vào (Nh=Wh.Hh) và công suất cơ đầu ra (Nm=Tm.ωr) được điều khiển thông qua van điều chỉnh chính MCV, với giả thiết entanpy hơi không thay đổi tại các tầng Các nhà máy nhiệt điện đốt than hoạt động trong chế độ phát công suất từ 70% đến 100% công suất định mức, do đó tuabin vận hành ở chế độ điều khiển mô men Mô hình này chỉ nghiên cứu phát công suất tác dụng, trong khi hệ thống điều khiển kích từ được giả định hoạt động hiệu quả Việc xây dựng mô hình điều khiển sử dụng phương pháp kết hợp giữa phương trình động học và số liệu vận hành thực tế tại nhà máy.
Hình 2.4 Mô hình tổ hợp tuabin – máy phát trong nhà máy nhiệt điện ngưng hơi
Xây dựng mô hình điều khiển lò hơi theo thông số nhà máy nhiệt điện Hải Phòng
Yêu cầu than cấp vào lò
Than là nhiên liệu chính trong lò hơi, cung cấp công suất hơi cho nhà máy nhiệt điện đốt than Trong quá trình khởi động lò hoặc khi tải thấp, dầu có thể được đốt kèm, nhưng bài viết chỉ tập trung vào việc sử dụng than Hệ phụ tải nhiệt của nhà máy hoạt động trong dải công suất từ 70% đến 100% công suất định mức, trong đó nhiên liệu sử dụng cho quá trình cháy chủ yếu là than.
Trước khi đưa than vào buồng đốt, cần đảm bảo rằng nó đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng Các yếu tố đánh giá chất lượng than bao gồm độ ẩm, nhiệt trị, độ mịn và lượng tro có trong than.
Về độ ẩm của than tiêu chuẩn nằm trong khoảng từ 6,3% 10,63%.
Về nhiệt trị của than: Giá trị của nhiệt trị than yêu cầu từ 4995 5370 Kcal/kg
Về độ mịn của than:than được nghiền được bộ phận phân ly để có kích thước ≤4μm
Thành phần hóa học của than ảnh hưởng tới quá trình cháy và sản phẩm cháy là tro và xỉ.
Than đạt tiêu chuẩn được trộn với không khí (gió cấp 1) và sấy nóng ở nhiệt độ từ 350 – 400 độ C, sau đó được phun vào buồng lửa Tại đây, than nhận nhiệt từ buồng lò và tiến hành quá trình cháy.
Nếu các yếu tố này không đảm bảo ảnh hưởng tới quá trình cháy thì ta coi đó là nhiễu quá trình cháy.
Cân bằng nhiệt tổng quát trong lò hơi
Xét nhiệt trong lò ở trạng thái làm việc ổn định, ta có cân bằng công suất nhiệt:
Q f W f C f T fo +W a C a T ao Q TL Q hh Q m Q k Q x Q tt 0
- Q f =W f H f - Công suất nhiệt do cháy nhiên liệu cấp cho lò (khi cháy hết), [kW].
W f - Lưu lượng nhiên liệu đưa vào lò, [kg/s]
H f - Nhiệt trị làm việc của nhiên liệu than, [kJ/kg]
- W f C f T fo - Công suất nhiệt của dòng nhiên liệu đưa vào lò, [kW]
- C f - Nhiệt dung riêng của dòng nhiên liệu đưa vào lò, [kJ/(kg.K)]
- T fo - Nhiệt độ nhiên liệu đưa vào lò, [K]
- W a C a T a - Công suất nhiệt của không khí đưa vào lò, [kW]
W a - Lưu lượng không khí đưa vào lò, [kg/s], W a k a W f với k a là hệ số tỷ lệ không khí và nhiên liệu đối với than k a 10 11 (tổng lượng gió gấp 10 11 lần than);
C a - Nhiệt dung riêng của không khí đưa vào lò, 1005 [J/(kg.K)]
T ao - Nhiệt độ không khí đưa vào lò, [K]
- Q x W x C x T x - Công suất nhiệt của tro và xỉ than ra khỏi lò, [kW]
W x - Lưu lượng tro và xỉ than ra khỏi lò, [kg/s], thường lưu lượng tro và xỉ được tính gần đúng W x W f (thường lấy 0 ,2 0 ,4 ).
C x - Nhiệt dung riêng của xỉ than ra khỏi lò, [kJ/(kg 0 C)] Tại nhà máy nhiệt điện Hải Phòng, nhiệt dung riêng của xỉ là 933 1002 [kJ/
- T x - Nhiệt độ xỉ than ra khỏi lò, [ 0 C]
- Q k W k C k T k - Công suất nhiệt của khói ra khỏi lò, [kW]
W k - Lưu lượng khói ra khỏi lò, [kg/s], để áp suất buồng lò âm lưu lượng khói được tính W k W a trong đó thường lấy 11,, vậy W k k a W f
C k - Nhiệt dung riêng của khói ra khỏi lò, [kJ/(kg.K)]
T k - Nhiệt độ khói ra khỏi lò, [K]
- (Q TL Q hh ) - Công suất nhiệt tích lũy tường lò và không khí trong lò, [kW]
- Q m - nhiệt của dàn ống sinh hơi, [kW]
- Q tt - tổng tổn thất nhiệt do bức xạ tường lò, [kW].
Thay các giá trị và biến đổi (2.1) ta có nhiệt sinh hơi là hàm của
Q m =W f ( H f C f T fo +k a C a T ao k a C k T k C x T x ) Q TL Q hh Q tt
Giả thiết rằng công suất tích lũy và tổn thất của lò giữ nguyên, nhiệt độ hỗn hợp không khí trong lò không thay đổi, nhiệt độ xỉ không đổi, cùng với nhiệt độ không khí và nhiên liệu cấp vào lò ổn định, cũng như nhiệt trị của than không thay đổi Do đó, công suất nhiệt của dàn ống sinh hơi sẽ phụ thuộc vào lưu lượng nhiên liệu.
- Q tn - Công suất nhiệt nhận từ lò của dàn ống sinh hơi, [kW]
- Q sh - Công suất nhiệt nhận của dòng nước xuống dàn ống sinh hơi từ thành ống sinh hơi, [kW]
Hàm F(H) được xác định bởi các yếu tố như entanpy của đầu vào và đầu ra, bao gồm than và gió ở đầu vào, cùng với xỉ và khói ở đầu ra Trong quá trình xây dựng động học, chúng ta có thể giả định rằng các yếu tố này là không đổi; tuy nhiên, khi có sự thay đổi trong các thông số này, chúng ta xem đó là nhiễu tác động đến hệ thống.
Động học quá trình truyền nhiệt sinh hơi
Phương trình cân bằng năng lượng của dàn ống sinh hơi: m m C m
Nhiệt lượng mà dàn ống sinh hơi nhận từ lò và dòng nước chảy xuống dàn ống sinh hơi từ thành ống được xác định theo phương pháp sau [45]:
Q tn Q bx Q dl k bx T NL k dl (T NL T m ) k A(T
- Q tn - Công suất nhiệt nhận từ lò của dàn ống sinh hơi, [kW]
- Q sh - Công suất nhiệt nhận của dòng nước xuống dàn ống sinh hơi, [kW]
- T NL - Nhiệt độ ngọn lửa, [K]
- T m - Nhiệt độ của vỏ kim loại ống dàn ống sinh hơi, [K]
- k bx - Hệ số truyền nhiệt bức xạ đã quy đổi, [kW/K]
- k dl - Hệ số truyền nhiệt đối lưu đã quy đổi, [kW/K]
- k T - Hệ số truyền nhiệt giữa thành ống sinh hơi và nước xuống, [kW/(m 2 K)
- A - Diện tích truyền nhiệt giữa thành ống sinh hơi và nước xuống,
[m 2 ] Nhiệt độ ngọn lửa trong lò được tính xác định như sau:
Bao hơi có hai quá trình là quá trình cân bằng khối lượng và quá trình cân bằng năng lượng.
Cân bằng khối lượng nước trong bao hơi được xác định bằng cách lấy tổng lượng nước cấp trừ đi lượng nước thoát ra qua ống sinh hơi, sau đó cộng với lượng nước được đưa lên từ ống sinh hơi.
- W nc - Lưu lượng nước cấp [kg/s]
- Wnx - Lưu lượng nước xuống ống sinh hơi [kg/s]
- W nl - Lưu lượng nước từ ống sinh hơi đi lên [kg/s]
Khối lượng nước trong bao hơi (kg/s) được xác định bởi sự biến thiên khối lượng hơi Biến thiên này được tính bằng hiệu giữa lưu lượng hơi vào bao hơi từ dàn ống sinh hơi và lưu lượng hơi ra khỏi bao hơi.
- Whv, Whr lần lượt là lưu lượng hơi vào và lưu lượng hơi ra bao hơi [kg/s]
- mh - Khối lượng của hơi [kg]
Lưu lượng hơi vào bao hơi được tính: W hv W nx W nl , thay vào (2.8) ta có: dm nc
Trong nhà máy nhiệt điện, bao hơi được thiết kế dưới dạng hình trụ nằm ngang, với chiều dài lớn hơn chiều cao Do đó, biến thiên khối lượng của bao hơi tỷ lệ thuận với sự thay đổi chiều cao của mức nước bên trong.
Phương trình cân bằng năng lượng cho bao hơi: ì ù dE ù
- E - Nhiệt năng trong bao hơi [J]
- u n - Nội năng của nước cấp vào bao hơi [J/kg]
- u h - Nội năng là của hơi đi ra bao hơi [J/kg]
Biến đổi phương trình (2.11) ta được: un dm dt n
= Q sh -W nx h nx + W hv h hv + W nl h
-W nl hr h hr Nhiệt độ của hơi bão hòa được tính như sau: dT dt
- Tbh - Nhiệt độ hơi bão hòa [K]
- Wbh - Lưu lượng hơi bão hòa [kg/s]
Phương trình đối với áp suất hơi: p f(m n ,V h ,T )
Khi đạt cân bằng hơi và nước, ta có áp suất hơi được tính [51]: p K ( T )
Ta có áp suất hơi bao hòa được tính theo phương trình Antonie [51] có dạng như sau:
- P - Áp suất hơi nước bão hòa (Pa) tại nhiệt độ T.
- A = 8,1409; B = 1810,94; C = 244,485 (hằng số tương ứng với dải nhiệt độ từ 100-400 o C).
Dựa trên số liệu nhà máy nhiệt điện Hải phòng [4] ta mô phỏng dùng M-file củaMatlab được trình bày trên phụ lục I.
Mạch vòng điều khiển cấp liệu
Hệ thống điều khiển nhiên liệu than đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự cân bằng năng lượng giữa đầu vào và đầu ra Lượng nhiên liệu được điều khiển dựa trên tổng nhiệt năng yêu cầu, được tính từ công suất phát cần thiết Sơ đồ P&ID trong hình 2.5 minh họa quy trình cấp nhiên liệu cho buồng lửa Phương pháp cấp than được áp dụng là gián tiếp, do đó, mạch vòng cấp nhiên liệu cho lò hơi chỉ tập trung vào việc này.
Cấu trúc điều khiển van điều chỉnh vòi phun bao gồm 31 thành phần, trong đó có cấu trúc điều khiển lưu lượng nhiên liệu phản hồi Lưu lượng nhiên liệu thực tế vào lò được đo bằng thiết bị FT, sau đó tín hiệu này được gửi đến bộ điều khiển nhiên liệu FC để so sánh với lượng nhiên liệu đặt Wf* Từ đó, bộ điều khiển sẽ phát tín hiệu điều chỉnh van cấp liệu một cách phù hợp.
Hình 2.5 Sơ đồ P&ID điều khiển cấp liệu cho buồng lửa [2][4][5][8][10]
Lưu lượng gió được điều chỉnh theo lượng than cấp vào, trong đó gió cấp 1 sẽ đi kèm với than để vận chuyển qua vòi phun vào buồng lửa Gió cấp 2 được cung cấp riêng biệt nhằm đảm bảo chất lượng của quá trình cháy.
Trên hình 2.6 là cấu trúc điều khiển lưu lượng nhiên liệu:
Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển cấp liệu
- F(x) là hàm tính toán từ nhiệt thành lưu lượng than yêu cầu
- Gpf(s) là hàm truyền quá trình cấp than;
- Gvf(s) là hàm truyền của van cấp liệu;
- G Cf ( s )là hàm truyền bộ điều khiển cấp than,
Các tham số của hàm truyền Gcf(s), Gpf(s) và Gvf(s) được xác định dựa trên số liệu thu thập từ nhà máy nhiệt điện Hải Phòng, với thông tin chi tiết được trình bày trong phụ lục I.
Mạch vòng điều khiển khói gió
2.2.5.1 Thành phần và vai trò của hệ thống khói gió
Để đảm bảo nhiên liệu cháy hết, lượng không khí cung cấp cho lò phải tương ứng với lượng ô xy cần thiết Tuy nhiên, cần cấp một lượng không khí lớn hơn so với tính toán lý thuyết, được gọi là hệ số không khí thừa V tt.
1 Tuy nhiên, nếu hệ số
Để đảm bảo quá trình cháy hiệu quả, cần xác định hệ số tối ưu cho không khí, với tỷ lệ W a = k a W f, trong đó k a đạt 25% Gió được sử dụng từ khí trời, sau khi được sấy ở nhiệt độ khoảng 400°C, sẽ được chia thành hai phần: Gió 1 dùng để sấy và vận chuyển than, cần giữ nhiệt độ hỗn hợp dưới 400°C để tránh cháy, trong khi Gió 2 được đưa vào lò theo hệ số định trước Nồng độ ôxy dư cần duy trì trong khoảng 2-5% để đảm bảo đủ không khí cho quá trình cháy, đặc biệt là trong vùng công suất từ 70% đến 100%, nơi nồng độ ôxy là không đổi Đồng thời, việc kiểm soát lưu lượng khói rất quan trọng để duy trì áp suất âm trong buồng đốt, với áp suất duy trì từ -50 Pa đến -100 Pa, phụ thuộc vào lưu lượng gió cấp.
Nhiệt từ khói sau khi ra khỏi lò được sử dụng để gia nhiệt cho gió và hơi bão hòa tại các bộ quá nhiệt cấp 1, cấp 2, bộ quá nhiệt hộp, quá nhiệt trần và tường phân chia Sau đó, nhiệt này tiếp tục được sử dụng để gia nhiệt cho nước cấp tại bộ hâm và toàn bộ hệ thống gió Cuối cùng, khói sẽ đi qua bộ lọc bụi tĩnh điện trước khi được thải ra môi trường qua ống khói.
Trên hình 2.8 là nguyên lý tạo áp suất âm trong lò và đặc tính phân bố áp suất
Quạt FD cung cấp gió vào lò, giúp trao đổi nhiệt với bộ sấy kiểu ống quay, sau đó gió này theo than vào lò Đồng thời, quạt ID tạo ra phân bố áp suất trong lò.
Hình 2.8 Phân bố áp suất của lò [14]
2.2.5.2 Hệ thống điều khiển khói gió [7][13][48]
Sơ đồ P&ID của mạch vòng điều khiển khói gió được trình bày trong hình 2.9, thể hiện hệ thống đảm bảo không khí cho quá trình cháy và duy trì áp suất âm trong buồng lửa Hệ thống này bao gồm hai mạch vòng điều khiển quan trọng: một mạch điều khiển nồng độ oxy dư và một mạch điều khiển áp suất âm buồng lửa.
Mạch vòng điều khiển áp suất buồng đốt bao gồm điểm đo áp suất (PT) tại vị trí khói ra khỏi buồng lửa, với tín hiệu đặt là áp lực buồng đốt (P * bđ) cho bộ điều khiển (PC) và cơ cấu chấp hành là van cánh hướng Đồng thời, mạch vòng điều khiển nồng độ %O2 dư có điểm đo tại vị trí khói ra buồng lửa, với tín hiệu đặt là nồng độ %O2 dư cho bộ điều khiển GCO2%, trong đó tín hiệu yêu cầu lưu lượng gió 2 từ bộ điều khiển cấp liệu (FC) được nhân với đầu ra của bộ điều khiển nồng độ O2 dư, và cơ cấu chấp hành là quạt gió 2 (FD).
Hệ thống điều khiển khói gió trong sơ đồ P&ID được thiết kế để điều chỉnh độ cao ngọn lửa dạng “W” thông qua áp suất âm trong buồng đốt từ đáy đến đỉnh lò Có ba mức độ cao của ngọn lửa tương ứng với các giá trị áp suất khác nhau; trong đó, độ cao ngọn lửa tiêu chuẩn được xác định khi áp suất buồng đốt đạt mức đặt Đảm bảo độ cao ngọn lửa đúng tiêu chuẩn là yếu tố quan trọng để duy trì thời gian cháy của than và đạt nhiệt độ tối ưu ở tâm ngọn lửa, từ đó nâng cao hiệu suất quá trình cháy và truyền nhiệt.
Sơ đồ cấu trúc điều khiển khói gió (hình 2.10) bao gồm hai mạch vòng, trong đó mạch vòng điều khiển nồng độ oxy dư (hình 2.10a) có đại lượng cần điều khiển là nồng độ ô xy dư, thường được duy trì trong khoảng 3-5% với mức phổ biến là 4% Đại lượng tác động (MV) là lưu lượng gió 2, và cơ cấu chấp hành là quạt FDF Tín hiệu yêu cầu cho lưu lượng gió 2 được tính theo công thức W a 2 k a W f *, trong khi lưu lượng gió 2 được hiệu chỉnh dựa trên nồng độ ô xy dư từ đầu ra bộ điều khiển.
Nồng độ ô xy dư ảnh hưởng đến tín hiệu điều khiển từ GCO2; khi đạt yêu cầu, tín hiệu này sẽ là 1, nhưng nếu vượt quá mức cho phép, tín hiệu sẽ giảm Thực tế cho thấy, tín hiệu điều khiển thường nằm trong khoảng từ 0.8 đến 1.2.
Mạch vòng điều chỉnh nồng độ ô xy dư bao gồm các thành phần chính như Gpg2(s), hàm truyền của cơ cấu chấp hành; ka, hệ số tỷ lệ giữa lưu lượng than và lưu lượng gió cấp 2; Gpch(s), hàm truyền của quá trình cháy; và GD(s), hàm truyền nhiễu của lưu lượng nhiên liệu.
G CO 2 là bộ điều khiển giúp theo dõi nồng độ %O 2 dư trong quá trình hoạt động Bên cạnh đó, hệ thống còn được trang bị bộ điều khiển lựa chọn nhằm đảm bảo việc cấp than đồng bộ với lượng gió cung cấp, đặc biệt là khi công suất gió tăng lên.
35 trước sau đó tăng than và ngược lại khi giảm công suất than sẽ giảm trước sau đó giảm gió).
Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc điều khiển khói gió [4][5][8][10][11][47]
Mạ ch vòng điều khiển áp suất âm buồng đốt đảm bảo lưu lượng khói ra lò lớn hơn lưu lượng gió vào lò, tạo áp suất âm trong buồng lửa Điều này giúp duy trì chiều cao ngọn lửa tối ưu, đạt nhiệt độ tâm lớn nhất và cho phép nhiên liệu cháy hết trong lò Quá trình điều khiển áp suất âm buồng đốt liên quan đến việc kiểm soát áp suất âm (Pbđ), lưu lượng khói (Wk hay WID) là đại lượng tác động, trong khi gió vào lò đóng vai trò là đại lượng nhiễu.
Wa2 Cấu trúc điều khiển cho mạch vòng điều khiển áp suất âm buồng đốt được trình bày trên hình 2.10b.
- Gcp là hàm truyển bộ điều khiển áp suất
- G pkh (s) là hàm truyền cơ cấu chấp hành và quá trình khói;
- Gpa(s) là hàm truyền quá trình;
- GD(s) là hàm truyền nhiễu của lưu lượng gió 2 tác động đến mạch vòng;
- GFa là bộ điều khiển Feedforward tĩnh bù lượng nhiễu của lưu lượng gió 2;
- Gpas là hàm truyền quá trinh áp suất buồng đốt.
Các tham số của hàm truyền điều khiển khói gió được xác định dựa vào số liệu từ nhà máy nhiệt điện Hải Phòng [4], trình bày trên phụ lục I.
Mạch vòng điều khiển cấp nước cho lò hơi
Nước từ bình ngưng được bơm qua các bình gia nhiệt hạ áp tới bình khử khí, sau đó được bơm cấp qua các bình gia nhiệt cao áp đến bộ hâm nước khử khí trước khi vào bao hơi Nước vào bao hơi có nhiệt độ khoảng gần 300°C Tại bao hơi, nước được chuyển xuống dàn ống sinh hơi, nơi nhận nhiệt từ buồng lửa để hóa hơi.
Hệ điều khiển mức nước bao hơi có vai trò quan trọng trong việc cân bằng lượng hơi thoát ra và lượng nước cấp vào bao hơi, đồng thời đáp ứng nhanh chóng để loại bỏ sự xen kẽ trong quá trình sinh hơi.
Sơ đồ P&ID trong hình 2.11 mô tả hệ thống điều khiển mức nước bao hơi, sử dụng cấu trúc điều khiển nối tầng Trong mạch vòng điều khiển này, việc điều chỉnh lưu lượng nước cấp được thực hiện bởi bộ điều khiển FC, với tín hiệu đặt được so sánh để đảm bảo mức nước ổn định.
Hệ thống điều khiển nước cấp sử dụng tín hiệu từ thiết bị đo lưu lượng FT để điều chỉnh van cấp nước Nước được bơm từ bơm BNC qua bộ hâm nước trước khi đến van Mạch vòng ngoài kết hợp với bộ điều khiển mức LC để nhận tín hiệu đặt mức nước.
H * được so sánh với tín hiệu mức nước thực tế đo từ bộ đo LT để xác định tín hiệu lưu lượng nước W * nc cho mạch vòng bên trong Nhiễu trong cấu trúc điều khiển mức nước được thể hiện qua tín hiệu lưu lượng hơi Wh.
Hình 2.11 Sơ đồ P&ID điều khiển mức nước bao hơi [4][5][8][10][11][47]
Mạch vòng điều khiển mức nước bao hơi [11-14][47]:
Cấu trúc mạch vòng điều khiển mức nước bao hơi được thể hiện trong hình 2.12, với đại lượng cần điều khiển là mức nước bao hơi H Đại lượng tác động (MV) là lưu lượng nước cấp Wnc, trong khi cơ cấu chấp hành là van nước cấp Ngoài ra, còn có đại lượng nhiễu tải ảnh hưởng đến quá trình điều khiển.
Để đảm bảo điều khiển mức nước trong hệ thống hơi bù nhiễu, chúng ta áp dụng cấu trúc điều khiển nối tầng với hai mạch vòng: một cho việc điều khiển mức và một cho điều khiển nước cấp Đồng thời, hệ thống cũng được trang bị điều khiển bù nhiễu Feedforward để nâng cao hiệu quả điều khiển.
Hình 2.12 Mạch vòng điều khiển mức nước bao hơi [4][5][8][10-14][47]
- Gpnc là hàm truyền quá trình cấp nước
- GpH là hàm truyền quá trình chính của bao hơi
- GD là hàm truyền của nhiễu lưu lượng hơi tác động đến mạch vòng điều khiển mức nước bao hơi;
- GF là bộ điều khiển FeedForward bù nhiễu lưu lượng hơi;
- Gcnc là bộ điều khiển lưu lượng nước cấp (mạch vòng phía trong);
- GcH là bộ điều khiển mức nước (mạch vòng ngoài).
Hàm truyền được lấy từ nhà máy, xem phụ lục I…
Mạch vòng điều khiển hơi quá nhiệt
Hình 2.13 mô tả nguyên lý điều khiển hơi quá nhiệt, bắt đầu bằng việc hơi bão hòa trao đổi nhiệt với khói, làm tăng nhiệt độ lên khoảng 600 °C Tiếp theo, hơi được đưa vào trao đổi nhiệt trực tiếp với nước lạnh phun vào, tạo ra hơi quá nhiệt với nhiệt độ 545 °C thông qua quá trình phun giảm ôn Tại nhà máy, hơi bão hòa từ bao hơi đi qua các bộ quá nhiệt như bộ quá nhiệt trần buồng lửa, bộ quá nhiệt hộp, bộ quá nhiệt tường phân chia, bộ quá nhiệt cấp 1, bộ quá nhiệt cấp 2 (bộ quá nhiệt mành) và cuối cùng là bộ quá nhiệt cấp 3 Sau khi đạt nhiệt độ cần thiết, hơi quá nhiệt từ hai phía của lò hơi được dẫn đến tuabin cao áp.
Hình 2.13 Lưu đồ P&ID điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt [4][5][8][10-14][47]
Quá trình quá nhiệt hơi là hệ thống số dải, và để xây dựng mô hình điều khiển cho quá trình này, chúng ta cần giả thiết quy đổi nó thành hai quá trình chính: quá trình gia nhiệt và quá trình phun giảm ôn.
2.2.7.1 Động lực học quá trình gia nhiệt hơi bão hòa
Sử dụng phương pháp cân bằng năng lượng trực tiếp DEB, chúng ta có thể thiết lập phương trình cân bằng năng lượng cho quá trình trao đổi nhiệt giữa hơi bão hòa và khói, nhằm tạo ra hơi quá nhiệt.
Giả thiết rằng quá trình trao đổi nhiệt từ khói đến thành ống dẫn hơi bão hòa bị bỏ qua, ta có thể biểu diễn phương trình như sau: d(mCT) = W(hbh - C hbh T hbh) + W(hqn - C hqn T hqn) + W(kCk(Tkv - Tkr))dt.
- (mCT ) hqn - năng lượng hơi quá nhiệt trước khi vào phun giảm ôn,
m – khối lượng hơi quá nhiệt, kg,
C- nhiệt dung riêng hơi quá nhiệt, kJ/(kg.K),
T - nhiệt độ hơi quá nhiệt, K.
- (WCT ) hbh - năng lượng của hơi bão hõa, kW,
W hbh - lưu lượng hơi bão hòa, kg/s,
C hbh nhiệt dung riêng, kJ/(kg.K)
T hbh - nhiệt độ hơi bão hòa, K;
- (WCT ) hqn 1 - năng lượng hơi quá nhiệt, trong đó:
C hqn1 - nhiệt dung riêng, kJ/(kg.K)
T hqn - nhiệt độ hơi quá nhiệt, K;
- W k ,C k ,T kv - năng lượng khói đi vào bộ quá nhiệt, trong đó:
C kv nhiệt dung riêng, kJ/(kg.K)
T kv - nhiệt độ của khói đi vào bộ quá nhiệt, K;
T kr - nhiệt độ khói ra bộ quá nhiệt, K.
Chúng tôi sử dụng Mfile của Matlab & Simulink cùng với các thông số từ nhà máy nhiệt điện Hải Phòng để xây dựng mô hình gia nhiệt cho quá trình hơi quá nhiệt (Chi tiết có trong phụ lục I).
2.2.7.2 Quá trình phun giảm ôn
Quá trình phun giảm ôn được điều khiển theo cấu trúc rõ ràng, bao gồm mạch vòng trong để điều chỉnh lưu lượng nước và mạch vòng ngoài để kiểm soát nhiệt độ hơi quá nhiệt Nhiễu quá trình trong hệ thống này được xác định bởi công suất nhiệt của hơi Qh.
Hình 2.14 Mạch vòng điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt [4][11][13]
- GCT là hàm truyền bộ điều khiển nhiệt độ
- GCfgo là hàm truyền bộ điều khiển lưu lượng nước giảm ôn
- Gpfgo là hàm truyền quá trình của nước giảm ôn
- Gpqn là hàm truyền quá trình quá nhiệt
- GD là hàm truyền nhiễu là công suất hơi quá nhiệt
Xác định các thông số hàm truyền thông qua số liệu từ nhà máy (xem phụ lục I)
Xây dựng mô hình điều khiển tuabin và máy phát
Động học các quá trình trong tuabin
Sơ đồ nguyên lý tổ hợp tuabin và máy phát được thể hiện trong hình 2.15 Tuabin có hai chế độ điều khiển chính: chế độ điều tần, trong đó bộ Governor hoạt động theo chế độ điều tốc (Speed Control), và chế độ phát theo công suất đặt, với bộ Governor hoạt động trong chế độ điều khiển mô men (Torque Control).
Tuabin hoạt động dựa trên lưu lượng hơi, với van điều chỉnh hơi chính MCV và van điều chỉnh hơi tái nhiệt ICV làm cơ cấu chấp hành Đại lượng đầu ra của tuabin là momen quay Tm st.
Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý của hệ tuabin - máy phát [4][7]
- HP, IP, LP lần lượt là tuabin cao áp, trung áp, hạ áp
- MSV, RSV lần lượt là van stop cho tuabin cao áp, trung áp
- MCV, ICV là van điều chỉnh lưu lượng hơi vào tuabin cao áp, van hơi tái nhiệt Reheat là bộ tái nhiệt trung gian
- Corossover ống đẫn hơi từ tuabin trung thế đến tuabin hạ thế.
Hình 2.16 Sơ đồ mặt cắt của tuabin [4][7]
Tuabin cao áp và trung áp không chỉ cung cấp hơi mà còn hỗ trợ các yêu cầu công nghệ như hâm nước cấp và khử khí Sơ đồ mắt cắt của tuabin ngưng hơi, bao gồm ba tầng: cao áp (H), trung áp (I) và hạ áp (L), được mô tả trong hình 2.16, giúp làm rõ nguyên lý cấu tạo của thiết bị này.
Hình 2.17 Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của tuabin
Nguyên lý hoạt động của tuabin dựa trên việc hơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt độ cao chảy qua ống tăng tốc, tạo ra tốc độ dòng chảy lớn Sự chuyển đổi từ thế năng thành động năng này tác động vào cánh động tuabin, khiến tuabin quay.
Tuabin chuyển đổi năng lượng của hơi nước thành năng lượng cơ học thông qua chuyển động quay của cánh tuabin Khi hơi nước quá nhiệt đi qua van với lưu lượng W h, tốc độ dòng hơi bắt đầu từ 0 tại ống phun Do diện tích ống phun nhỏ dần, tốc độ dòng chảy tăng lên, đạt giá trị cực đại khi lưu lượng W h chia cho diện tích A min.
Lực tác dụng lên các tầng cánh động xác định bằng:
Công có ích trên một đơn vị lưu lượng hơi:
Tuabin có nhiều tầng ta có phương trình cân bằng năng lượng cho từng đoạn
[7] Xét đoạn thứ i ta có cân bằng nhiệt và sinh công: h v h r 1
- h( kJ / kg ) là entanpy riêng phần
- 1 c 2 ( kJ / kg ) động năng riêng phần (chỉ số
- a i ( kJ / kg ) công riêng phần sinh ra trong đoạn khảo sát
- N (kW) công suất tổng của hệ.
Trong việc xây dựng mô hình điều khiển phục vụ thiết kế, hệ thống được xem xét qua quan hệ cân bằng vào-ra Hình 2.18 minh họa sơ đồ thay thế mạng hơi của tuabin, với bốn điểm khảo sát chính: H đại diện cho tuabin cao áp, R cho tái nhiệt, I cho tuabin trung áp và L cho tuabin hạ áp.
Hình 2.18 Sơ đồ thay thế mạng hơi của tuabin [4]
- (W h h) vH Công suất hơi vào tuabin cao áp (kW).
- (W h h) vR Công suất hơi từ đầu ra tuabin cao áp đi vào bộ tái nhiệt (kW).
- (W h h ) chH Tổng công suất hơi trích ra từ tuabin cao áp (kW)
- Q R Công suất của bộ tái nhiệt cấp cho hơi trước khi vào tuabin trung áp
- N mH Công suất cơ do tuabin cao áp sinh ra, kW
- (W h h ) vI Công suất hơi vào tuabin trung áp (kW).
- (W h h) chI Tổng công suất hơi chích ra từ tuabin trung áp (kW)
- N mI Công suất cơ do tuabin trung áp sinh ra, kW
- (W h h) vL Công suất hơi vào tuabin hạ áp (kW).
- (W h h) ngh Tổng công suất hơi ngưng ra từ tuabin hạ áp (kW).
- N mL Công suất cơ do tuabin hạ áp sinh ra, kW.
2.3.1.1 Phương trình cân bằng công suất cho tuabin [4][7] Đối với tuabin: Công su ất đưa vào tuabin bằng tổng công suất dòng hơi đi ra khỏi tuabin cộng với công suất cơ sinh ra từ tuabin. Đố i với bộ tái nhiệt: Công suất hơi đ i ra bộ tái nhiệt bằng công suất dòng hơi vào bộ tái nhiệt cộng với công suất tái nhiệt [7].
Trong thực tế vận hành, entanpy của hơi không thay đổi theo công suất phát, dẫn đến mô men sinh ra của các tầng tuabin phụ thuộc vào lưu lượng.
T mI k mI (Wh) hTI k mL (Wh)
(Wh) hTH h G PH Q trhH (Wh ) hvR
(Wh ) hTI (Wh ) hvR G PR Q R (Wh ) hvL Q trhI
(Wh ) hTL (Wh ) hvL Q ng
Từ (2.23) và (2.24) ta có cấu trúc điều khiển tuabin trên hình 2.19
Hình 2.19 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tuabin [4][7]
Động lực học máy phát
Nghiên cứu chế độ vận hành của nhà máy nhiệt điện khi phát điện vào lưới điện theo công suất đặt cho thấy rằng điều khiển kích từ cần được đảm bảo Phương trình [7] được sử dụng để mô tả mối quan hệ này.
- T m T mH T mI T mL - tổng mô men quay của tuabin, Nm;
- T e - mômen cản của tuabin, Nm;
- - là tốc độ quay tuabin, 1/s;
- D - hằng số load-damping, giá trị biến thiên của tải để gây biến thiên tần số
- ( rad ) - góc tải của máy phát, rad;
- N e ( kW ) - Công suất phát điện của máy phát, kW.
Từ (2.24) và (2.25) ta tổng hợp được mô hình tuabin - máy phát như hình
2.20, trong đó hàm truyền tuabin GTB(s) được mô tả từ hình 2.19 h
Hình 2.20 Mô hình tuabin- máy phát [7]
Thông số mô hình điều khiển cho tuabin và máy phát được xác định dựa trên số liệu vận hành tại nhà máy nhiệt điện Hải Phòng, như được trình bày trong phụ lục I.
Mô phỏng hệ điều khiển phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện Hải Phòng
Dựa trên mô hình điều khiển được xây dựng ở phần 2.2 và 2.3, cùng với cấu trúc điều khiển phức hợp như trong hình 2.21, chúng tôi đã sử dụng số liệu vận hành của nhà máy nhiệt điện Hải Phòng (xem phụ lục I) để kiểm chứng mô hình Để thực hiện việc này, một mô hình mô phỏng đã được xây dựng bằng phần mềm Matlab & Simulink.
Lò hơi Điều khiển hơi quá nhiệt Điều khiển khói gió Áp suất buồng lửa Điều khiển cấp nước Điều khiển cấp liệu Turbine - Máy phát
Hình 2.21 Cấu trúc điều khiển phối hợp của nhà máy nhiệt điện
Sơ đồ mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab&Simulink được trình bày trong phụ lục I
Dữ liệu được sử dụng để mô phỏng mô hình là từ tổ máy số 2 của nhà máy nhiệt điện Hải Phòng, sản xuất vào tháng 7 năm 2017 Tổ máy này có công suất 300MW và hoạt động trong điều kiện từ 75% đến 100% RO, với nhiệt độ nước cấp phù hợp.
Nhiệt độ gió đạt 1ºC, trong khi nhiên liệu có nhiệt độ 347ºC Nhiệt độ hơi bão hòa là 353ºC và nhiệt độ hơi quá nhiệt lên tới 541ºC Áp suất hơi dao động từ 14,79 đến 17,3 MPa, với lưu lượng hơi từ 653,1 đến 996,93 T/h Nhiệt độ khói đầu ra từ buồng lửa nằm trong khoảng 1047 đến 1118ºC, và hiệu suất định mức của lò đạt 89,164% Mô hình này được xây dựng dựa trên số liệu thu thập từ quá trình vận hành tại nhà máy, với mức tải thay đổi từ 230 đến 300 MW, ở chế độ điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin và đường cong vận hành của tổ máy số 2.
7 năm 2017 Đường cong thự c tế vận hành tại tổ máy số 2, nhà máy nhiệt điện HảiPhòng được trình bày trên hình 2.22
Hình 2.22 Đường cong vận hành của tổ máy số 2 nhà máy nhiệt điện Hải Phòng
46 Đáp ứng mô phỏng theo số liệu vận hành được trình bày trên hình 2.23
Hình 2.23 Đáp ứng của mô hình mô phỏng hệ phụ tải nhiệt
- Đáp ứng thu được trên mô hình có dạng đặc tính gần tương tự so với đường cong vận hành thực tế tại nhà máy.
Mô hình xây dựng hiện tại đã đáp ứng được yêu cầu đặt ra, nhưng vẫn cần cải thiện để giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu Cụ thể, cần chú trọng đến chất lượng than, quá trình cháy và hiệu quả điều khiển của các mạch vòng để nâng cao độ chính xác và hiệu suất của mô hình.
Thiết kế hệ điều khiển phối hợp mới được phát triển trên cấu trúc điều khiển của Flynn
Đề xuất cấu trúc điều khiển phối hợp mới
Cấu trúc ban đầu của Flynn được mô tả trong hình 2.24 với nguyên lý điều khiển phối hợp Trong cấu trúc này, bộ Gc N điều khiển máy phát và Gcp điều khiển lò hơi Điểm nổi bật của cấu trúc Flynn là lượng đặt công suất cho cả hai kênh, trong đó kênh điều khiển lò hơi có lượng công suất được điều chỉnh theo đầu ra của bộ điều khiển áp suất, giúp tính toán lượng than yêu cầu chính xác hơn Sự bù xen kênh thông qua khâu phi tuyến g(∆p) phản ánh mối quan hệ phi tuyến với sai lệch áp suất Khi sai lệch nằm trong giới hạn, hệ sẽ tự tách kênh; nếu sai lệch lớn dương, công suất phát sẽ tăng, và nếu sai lệch lớn âm, công suất phát sẽ giảm, tạo ra sự phối hợp hiệu quả giữa công suất hơi và áp suất hơi giữa lò hơi và tuabin.
Khi thực hiện phát triển cấu trúc của Flynn luận án này cần thực hiện các nhiệm vụ:
- Thiết kế khâu g(∆p) trong đó cần xác định vùng chết, hệ số khuếch đại và cũng cần giới hạn tín hiệu bù.
Thiết kế khâu giới hạn ở đầu ra của bộ điều khiển áp suất là rất quan trọng để ngăn chặn tình trạng lượng nhiên liệu quá lớn hoặc bằng không, từ đó giảm thiểu dao động trong lượng đặt nhiên liệu.
Cấu trúc mới được phát triển hai vấn đề:
- Thiết kế khâu feedforward lượng đặt G FN ở phần điều khiển tuabin để tăng bám lượng đặt công suất.
Thực tế cho thấy, thành phần hóa học và nhiệt trị của than thay đổi tùy thuộc vào loại than Việc xác định sự thay đổi này thường được thực hiện thông qua phòng hóa nghiệm nhiên liệu Để cải thiện hiệu suất, một cấu trúc điều khiển phối hợp mới đã được đề xuất, bao gồm thêm khâu đặc tính nhiên liệu g(N,f) Khâu này cho phép chủ động điều chỉnh lượng nhiên liệu, từ đó giảm thời gian điều chỉnh và tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả hơn Hệ phụ tải nhiệt mới được trình bày trong hình 2.25.
Công suất nhiệt yêu cầu
Hình 2.25 Cấu trúc điều khiển phụ tải nhiệt mới được phát triển từ cấu trúc của Flynn
Thiết kế các bộ điều khiển trong cấu trúc điều khiển phối hợp mới
Trong bài viết này, chúng tôi sử dụng mô hình phụ tải nhiệt được phát triển trong luận án và dữ liệu từ nhà máy [4] (phụ lục I) để tổng hợp các bộ điều khiển.
Hệ điều khiển phố i hợp với cấu trúc mới được trình bày trong hình 2.25, với giả thiết rằng tổn thất công suất trong lò duy trì tỷ lệ không đổi Quá trình cháy được đảm bảo bởi hệ thống điều khiển khói gió, trong khi quá trình cấp nước giữ cân bằng giữa hơi và nước, cùng với việc điều khiển hơi quá nhiệt một cách ổn định.
Bài toán tổng hợp điều khiển công suất bao gồm hai vấn đề chính: tổng hợp hệ điều khiển công suất hơi cho lò hơi và tổng hợp hệ điều khiển công suất phát cho tuabin - máy phát Trong hệ thống điều khiển công suất hơi ở lò hơi, có bốn mạch vòng điều khiển quan trọng: điều khiển áp suất buồng đốt, nồng độ ôxy dư, điều khiển mức nước bao hơi, và điều khiển hơi quá nhiệt Các mạch vòng cơ sở của mô hình điều khiển phụ tải nhiệt mới được xây dựng dựa trên số liệu trong mục 2.3 (xem phụ lục I).
Như vậy, để thiết kế cấu trúc điều khiển này ta cần thiết kế hai hệ điều khiển:
- Hệ điều khiển công suất hơi phía lò hơi
Hệ điều khiển công suất phát phía tuabin - máy phát bao gồm hệ điều khiển công suất hơi phía lò hơi Để thiết kế bộ điều khiển áp suất hơi, cần sử dụng mạch vòng điều khiển áp suất hơi như được mô tả trong hình 2.26.
………… Động học quá trình cháy truyền nhiệt sinh hơi (M-File)
Hình 2.26 Cấu trúc mạch vòng điều khiển áp suất hơi
- GCLf là hàm truyền kín của mạch vòng điều khiển lưu lượng nhiên liệu và
G PP là động học quá trình truyền nhiệt sinh hơi.
Đường đặc tính nhiên liệu G(N,f) thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt trị than và tổng nhiệt yêu cầu cho lò ở các mức công suất khác nhau, đồng thời cho thấy ảnh hưởng của nhiệt trị than đến công suất hoạt động.
Đường đặc tính G(N,f) là một hàm phức tạp, bao gồm các yếu tố liên quan đến đặc tính của than như thành phần nhiệt trị, hóa học và vật lý Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, chúng ta chỉ tập trung vào ảnh hưởng của nó đối với công suất điện và áp suất hơi.
Hình 2.27 minh họa các đường đặc tính của G(N,f), trong đó trục x biểu thị công suất phát (Ne%) và trục y thể hiện lưu lượng nhiên liệu (Wf%) Đường phía trên phản ánh lưu lượng than cấp vào lò khi tăng tải, trong khi đường phía dưới thể hiện lưu lượng than cấp vào lò khi giảm tải Từ các đường đặc tính này, chúng ta có thể xác định lượng lưu lượng than cấp cho lò tương ứng với mỗi mức công suất phát và nhiệt trị than khác nhau.
G CP là bộ điều khiển áp suất có chức năng ổn định áp suất hơi và điều chỉnh lượng nhiên liệu cho lò hơi Khi áp suất hơi và nhiên liệu được cân bằng, tín hiệu điều khiển u p sẽ bằng 1 Nếu thiếu cân bằng, u p sẽ lớn hơn 1, và nếu thừa, u p sẽ nhỏ hơn 1 Thực tế cho thấy, u p thường dao động trong khoảng từ 0.8 đến 1.2 lần Trong trường hợp có nhiễu từ nhiệt trị than, quá trình cháy, truyền nhiệt hay cấp nước, giới hạn này có thể được điều chỉnh từ 0.5 đến 1.5 lần.
Các tham số của hàm truyền được xác định dựa trên dữ liệu vận hành của nhà máy nhiệt điện Hải Phòng, sử dụng công cụ nhận dạng Identification Toolbox của Matlab&Simulink Thông tin chi tiết được trình bày trong phụ lục I.
Tham số bộ điều khiển GCP được tổng hợp theo phương pháp mô hình nội SIMC- PID [48][50] kết quả đạt được k P , i , d (xem tại phụ lục phụ lục I).
2.5.2.2 Hệ điều khiển công suất phát phía tuabin - máy phát
Nhà máy nhiệt điện hoạt động chủ yếu theo công suất định mức, với giả định rằng tần số lưới điện và mạch điều khiển hơi tái nhiệt đều ổn định Nhiệm vụ chính của bộ điều khiển công suất phía tuabin - máy phát bao gồm ba phần quan trọng.
Tổng hợp bộ điều khiển công suất GCN
Tổng hợp bộ điều khiển Feedforward công suất đặt G FN
Tổng hợp bộ điều khiển Feedforward phi tuyến tĩnh g(∆P) để bù tác động xen kênh của áp suất.
Bộ điều khiển công suất G CN được thiết kế cho tổ hợp tuabin - máy phát, với động học đã được trình bày trong chuyên đề 1 Chế độ vận hành của bộ điều khiển này được xác định theo công suất đặt, sử dụng bộ điều khiển PI dựa trên số liệu từ tài liệu [4] Hàm truyền của đối tượng tuabin - máy phát cũng đã được nhận dạng từ [4].
Các tham số của hàm truyền được xác định dựa trên dữ liệu vận hành của nhà máy nhiệt điện Hải Phòng, sử dụng công cụ nhận dạng Identification Toolbox trong Matlab&Simulink (chi tiết có trong phụ lục I).
Tham số bộ điều khiển GCN được xác định thông qua công cụ PID tuner trên Matlab, với các giá trị kp = 0.0928917799877752 và ki = 0.00530545260247294 Để đảm bảo công suất phát theo đúng công suất đặt, bộ điều khiển Feedforward được tính toán dựa trên giá trị công suất đặt G FN.
[11][48] ta có: G FN G 1 ( s) Trong đó GpTF(s) là hàm truyền đối tượng tuabin- máy pTF phát Ta chọn GFN là bộ điều khiển Feedforward tĩnh như sau:
- kN là hệ số tỷ lệ, kN =0.8;
- k TF là hệ số khuếch đại của hệ tuabin-máy phát, k TF 19.48; b)Tổng hợp bộ điều khiển Feedforward phi tuyến tĩnh g(∆P) bù tác động xen kênh của áp suất
Khâu bù áp suất được mô tả trong hình 2.28 với ba tham số quan trọng cần xác định: δ vùng chết, ∆uPmax giới hạn điện áp cực đại và kbp hệ số khuếch đại Để tổng hợp khâu g(∆P), chúng tôi đã sử dụng số liệu thực tế từ vận hành tại nhà máy nhiệt điện Hải Phòng, kết hợp với quá trình chỉnh định thông qua mô phỏng.
Hình 2.28 Đường đặc tính của g(∆P)
Để xác định các tham số từ đường đặc tính, δ là vùng chết được xác định là 0.03% áp suất đặt, nghĩa là chỉ khi sai lệch áp suất lớn hơn 0.03% thì khâu g(∆P) mới bắt đầu tác động Tín hiệu điều khiển bù áp suất lớn nhất, ký hiệu là u P max, có giá trị là 10% của tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển công suất, với điều kiện |∆ |≤10%.
Mô phỏng và đánh giá cấu trúc điều khiển phối hợp mới với các cấu trúc khác và với hai cấu trúc điều khiển đơn biến của hệ phụ tai nhiệt
Mô phỏng được thực hiện để đánh giá độ ổn định và khả năng chịu tác động của nhiễu đối với hệ thống trong quá trình làm việc Qua đó, chất lượng điều khiển và chỉ tiêu vận hành tối ưu của chế độ điều khiển phối hợp mới được so sánh với hai cấu trúc điều khiển đơn biến khác là điều khiển theo lò hơi và điều khiển theo tuabin Chi tiết về vấn đề này đã được tác giả trình bày trong công bố số 2 trong danh mục các công trình của luận án.
Tác giả tiến hành mô phỏng và đánh giá cấu trúc điều khiển phối hợp mới, so sánh với hai cấu trúc điều khiển phối hợp hiện có: cấu trúc điều khiển phối hợp của nhà máy và cấu trúc điều khiển phối hợp của Flynn [12].
Các thông số mô phỏng được thu thập trong giai đoạn làm việc ổn định của tổ máy 300MW tại nhà máy nhiệt điện Hải Phòng, với tải hoạt động dao động từ 230MW đến 300MW.
Nhiệt độ khói thoát từ buồng lửa: 1047 ºC
Tốc độ quạt khói: 620 RPM
Tổng lưu lượng gió cấp vào lò hơi: 295.486 Kg/s
Nhiệt dung riêng của gió: 1005 J/Kg.K
Lưu lượng than cấp: 28.3 Kg/s
Nhiệt dung riêng của nhiên liệu: 1260 J/Kg.K
Tỷ lệ khối lượng nhiên liệu vào và xỉ ra: 0.2
Nhiệt độ than và gió cấp 1: 228 ºC
Nhiệt độ gió cấp 2: 341 ºC
Nhiệt dung riêng của nước: 4200 J/Kg.K
Tốc độ bơm cấp nước: 4842 RPM
Nhiệt dung riêng hơi bão hòa: 1840 J/Kg.K
Lưu lượng hơi chính: 191 Kg/s Áp suất hơi bão hòa: 14.2 MPa
Nhiệt độ hơi bão hòa: 340 ºC
Nhiệt độ hơi chính: 541 ºC
Lưu lượng nước cấp: 176 Kg/s
Nhiệt độ nước cấp: 280 ºC
Lưu lượng nước giảm ôn: 18 Kg/s Độ mở van phun nước giảm ôn: 29.42%
Nhiệt độ nước giảm ôn: 25 ºC Độ mở van: 75%
Công suất đặt tăng từ 230 đến 300MW (ứng với 70% đến 100%) duy trì ổn định tại 100%, sau đó giảm về 70%.
Tốc độ tăng và giảm lượng công suất đặt ±3MW/phút. Áp suất hơi được xác định từ đặc tính áp suất trượt (theo công suất đặt):
Lưu lượng nhiên liệu thiết kế cho lò là WfN= 36,5 kg/s với nhiệt trị 21134 kJ/kg, tương ứng với 100% công suất vận hành Trong quá trình vận hành, nhiệt trị của than có thể thay đổi do tác động của nhiễu, dao động trong khoảng từ 20077 kJ/kg đến 23247 kJ/kg.
55 kJ/kg (ứng với 95 110% WfN).Thông số thay đổi của nhiệt trị của than được cập nhật qua hàm g(N,f).
Mô phỏng và đánh giá cấu trúc điều khiển phối hợp mới với các cấu trúc điều khiển phối hợp của nhà máy và của Flynn.
Các đáp ứng mô phỏng
2.5.4.3 Đáp ứng bốn mạch vòng điều khiển lò hơi Đáp ứng của mạch vòng điều khiển mứ c, mạch vòng điều khiển nồng độ oxy dư, mạch vòng áp suất buồng đốt, mạch vòng nhiệt độ hơ i quá nhiệt ứng vớ i ba cấu trúc điều khiển của nhà máy và cấu trúc mới được đề xuất bởi những nghiên cứu của luận án này và cấu trúc của Flyn [12] trên hình 2.30.
Hình 2.30 Đáp ứng của bốn mạch vòng điều khiển lò hơi với ba cấu trúc điều khiển phối hợp
Bốn mạch vòng đều ổn định và đáp ứng đúng yêu cầu điều chỉnh trong chế độ vận hành điều khiển phối hợp của nhà máy và cấu trúc mới đề xuất Cấu trúc mới có mạch vòng điều chỉnh mức nước bao hơi tốt hơn, với biên độ dao động chỉ 0,085m, thấp hơn so với nhà máy (0,12m) và của Flynn (0,17m).
2.5.4.4 Đáp ứng công suất - áp suất hơi ứng với ba cấu trúc điều khiển phối hợp
Hình 2.34 minh họa đáp ứng mô phỏng tại tốc độ tăng tải 6MW/phút, với hình 2.34a thể hiện đáp ứng công suất và hình 2.34b thể hiện đáp ứng áp suất Công suất đặt yêu cầu (N *) thay đổi từ 230 đến 300MW, tương ứng với 76% đến 100% công suất, trong khi P * là áp suất đặt yêu cầu.
Hình 2.31 Đáp ứng công suất, áp suất hơi ứng với ba cấu trúc điều khiển phối hợp
Kết quả được đánh giá dựa trên các chỉ tiêu như thời gian quá độ (Tqd), độ quá điều chỉnh (%), sai lệch công suất, và sai lệch áp suất cực đại (emax (%)) trong các giai đoạn tăng tải, giảm tải và sai lệch tĩnh Bảng đánh giá chất lượng cho đặc tính công suất của ba cấu trúc điều khiển phối hợp bao gồm: cấu trúc điều khiển phối hợp mới, cấu trúc điều khiển phối hợp của nhà máy nhiệt điện Hải Phòng, và cấu trúc điều khiển phối hợp của Flynn được trình bày trong bảng 2.4.
Bảng 2.1 Bảng đánh giá chất lượng của đáp ứng công suất
Chế độ điều khiển phối hợp
Bảng đánh giá chất lượng đối với sánh trên hình 2.34 trong bảng bảng 2.5 đặc tính áp suất của ba cấu trúc mang ra so như sau:
Bảng 2.2 Bảng đánh giá chất lượng của đáp ứng áp suất
Chế độ điều khiển phối hợp
Cấu trúc điều khiển phối hợp mới cho phép đáp ứng công suất nhanh hơn với thời gian xác lập chỉ 800 giây từ khi có tín hiệu tăng tải, không có độ quá điều chỉnh và không bị dao động Trong khi đó, cấu trúc điều khiển khác có thời gian xác lập lâu hơn (1260 giây), với độ quá điều chỉnh từ 2,5MW đến 3,57% và dao động nhẹ khoảng 0,3MW Đặc biệt, cấu trúc điều khiển của Flyn có thời gian xác lập lâu nhất là 1350 giây, nhưng cũng không có độ quá điều chỉnh và không dao động.
Cấu trúc điều khiển phối hợp mới cho thấy khả năng đáp ứng áp suất rất tốt, giữ vững công suất đặt Trong khi đó, cấu trúc điều khiển của nhà máy có độ quá điều chỉnh từ 0,08MPa đến 3,17% và thời gian xác lập chậm hơn, kéo dài 1600 giây sau khi có tín hiệu tăng tải So với hai cấu trúc trên, đáp ứng áp suất theo cấu trúc điều khiển của Flyn không đạt hiệu quả tương tự, tuy không có độ quá điều chỉnh và không dao động, nhưng thời gian xác lập lại nhanh hơn.
2.5.4.5 Sai lệch công suất và áp suất của ba cấu trúc điều khiển phối hợp
Hình 2.32 Sai lệch công suất và áp suất của ba cấu trúc điều khiển phối hợp
Trong giai đoạn tăng tốc, sai lệch công suất lớn nhất trong cấu trúc điều khiển của Flyn đạt 37 MW, trong khi sai lệch công suất của nhà máy là 25.2 MW và của cấu trúc điều khiển phối hợp mới là 23.6 MW Đối với giai đoạn giảm tốc, sai lệch công suất của Flyn khoảng 12.8 MW, trong khi hai cấu trúc điều khiển còn lại có sai lệch tương tự nhau, khoảng 15 MW.
Trong giai đoạn tăng tốc, sai lệch áp suất theo cấu trúc điều khiển của Flyn đạt 0.22 MPa, trong khi sai lệch áp suất theo cấu trúc điều khiển của nhà máy nằm trong khoảng (-0,09 ÷ 0,092) MPa, và sai lệch theo cấu trúc điều khiển phối hợp mới là (-0,01 ÷ 0,087) MPa Đối với giai đoạn giảm tốc, sai lệch áp suất theo cấu trúc điều khiển của Flyn là 0.6 MPa, sai lệch của nhà máy dao động trong khoảng (-0.112 ÷ 0.157) MPa, và sai lệch theo cấu trúc điều khiển phối hợp mới là -0.0368 MPa.
2.5.4.6 Đáp ứng của hệ khi thay đổi nhiệt trị của than Để thấy rõ ảnh hưởng của thay đổi nhiệt trị than tớ i công suất, áp suất và các mạch vòng trong của lò hơi, ta thay đổ i nhiệt trị than khi vận hành ổn định để đ ánh giá các chỉ tiêu đáp ứng công suất Khi mô phỏ ng nhiệt trị than thay đổi: Đối với các cấu trúc điều khiển phối hợp của nhà máy và Flynn sẽ tác động vào mô hình; Đối với cấu trúc đ iều khiển phối hợp mới ta sẽ tác động vào cả mô hình và hàm g(N*,f). Hình 2.33a là đườ ng nhiệ t trị than, hình 2.33b là đáp ứng của công suất và áp suất tương ứng với ba chế độ đ iều khiển phối hợp: đường 1 là đáp ứng công suất (áp suất) của cấu trúc phối hợp Flynn, đường 2 là đ áp ứ ng công suất (áp suất) của cấu trúc phối hợ p nhà máy, đường 3 là đáp ứng công suất (áp suất) của cấu trúc phối hợp mới do luận án thiết kế.
Hình 2.33 Đáp ứng của các mạch vòng khi thay đổi nhiệt trị than
Theo hình vẽ, đáp ứng công suất và áp suất theo cấu trúc của Flyn (1) không có dao động, trong khi đáp ứng theo cấu trúc điều khiển của nhà máy (2) cho thấy sự dao động nhẹ Cấu trúc điều khiển phối hợp mới mang lại những cải tiến đáng kể trong hiệu suất.
(3), thì đáp ứng công suất và áp suất gần như không bị ảnh hưởng khi có nhiễu nhiệt trị than thay đổi.
Sai lệch công suất và áp suất ở ba cấu trúc điều khiển phối hợp khi so sánh:
Hình 2.34 Sai lệch công suất và áp suất của ba cấu trúc điều khiển phối hợp
Khi thay đổi nhiệt trị than, sai lệch công suất và áp suất theo cấu trúc Flyn (1) hầu như không thay đổi dưới tác động của nhiễu than Tuy nhiên, sai lệch công suất và áp suất theo cấu trúc điều khiển của nhà máy (2) có sự dao động, với thời điểm bắt đầu thay đổi nhiệt trị là 4000 giây Tại thời điểm này, sai lệch áp suất dao động trong khoảng [-0,04; 0,03] và sai lệch công suất trong khoảng [-0,5; 0,5] Đặc biệt, sai lệch công suất và áp suất theo cấu trúc điều khiển phối hợp mới (3) gần như không thay đổi khi nhiệt trị được điều chỉnh.
Chế độ điều khiển phối hợp mới được đề xuất trong nghiên cứu này đã chứng minh tính ổn định và cải thiện đáng kể thời gian điều chỉnh Hệ thống này cho phép bám lượng đặt nhanh hơn, tiêu thụ nhiên liệu hiệu quả hơn và nâng cao chất lượng điều chỉnh so với cấu trúc hiện tại của nhà máy nhiệt điện Hải Phòng và Flyn.
Đánh giá ba cấu trúc điều khiển theo chỉ tiêu vận hành tối ưu
Trong nhà máy nhiệt điện chạy than, việc đánh giá tối ưu cho quá trình vận hành được thực hiện thông qua nhiều tiêu chí khác nhau Trong số đó, bốn chỉ tiêu chính thường được sử dụng để xác định hiệu quả vận hành bao gồm: [19-28][53][54][58][59].
Chỉ tiêu đầu tiên là đảm bảo hệ vận hành an toàn và ổn định, với mục tiêu giảm thiểu số lần sự cố xảy ra, từ đó tối ưu hóa sản lượng MWh đạt được với chi phí vận hành ở mức thấp nhất.
Hệ thống đảm bảo an toàn môi trường cần tuân thủ các tiêu chuẩn phát thải cho chất thải rắn, chất thải lỏng và chất thải khí, đồng thời tối ưu hóa chi phí để đạt hiệu quả cao nhất.
Chỉ tiêu thứ ba là hệ bám công suất đặt JN, thể hiện khả năng hoạt động hiệu quả trong thời gian tăng tải và giảm tải, đồng thời duy trì sự ổn định khi có nhiễu tác động.
Chỉ tiêu thứ tư: Hệ có chi phí nhiên liệu là thấp nhất, gọi là Jf.
Trong nghiên cứu về điều khiển phụ tải nhiệt, việc đánh giá theo hai chỉ tiêu J N và J f là rất quan trọng Tác giả sẽ sử dụng hai chỉ tiêu vận hành tối ưu này để khảo sát, đánh giá và so sánh ba cấu trúc điều khiển phối hợp, bao gồm cấu trúc phối hợp của nhà.
Bài viết này giới thiệu về 60 máy nhiệt điện Hải Phòng và Flyn, với cấu trúc điều khiển phối hợp mới do tác giả đề xuất Kết quả của hệ điều khiển phụ tải nhiệt từ ba cấu trúc được tính toán theo công thức J N và J f Các chỉ tiêu liên quan đến lượng đặt J N và chi phí nhiên liệu cũng được phân tích trong nghiên cứu này.
Áp dụng công thức tính JN và Jf cho ba giai đoạn: tăng tải, tải ổn định với nhiệt trị thay đổi và giảm tải Kết quả tính toán được thể hiện trong bảng 2.3.
Bảng 2.3 Giá trị các chỉ tiêu JN (%), Jf (Kg (than)/kWh) từ kết quả mô phỏng
Chế độ điều khiển phối hợp
Phối hợp mới Nhà máy Flyn
Nhận xét cho thấy rằng chỉ tiêu bám lượng đặt công suất (J N) trong cấu trúc điều khiển phối hợp mới thấp hơn so với cấu trúc điều khiển phối hợp hiện tại tại nhà máy nhiệt điện.
Ứng dụng giải thuật di truyền để tối ưu hóa tham số bộ điều khiển hệ phụ tải nhiệt
Các chỉ tiêu vận hành tối ưu đối với nhà máy nhiệt điện đốt than
Tác giả đã xác định các chỉ tiêu vận hành tối ưu cho nhà máy nhiệt điện đốt than nhằm tính toán mức tiêu thụ nhiên liệu và thời gian bám lượng cho hai bộ điều khiển công suất và áp suất Trong chương này, tác giả tiếp tục áp dụng các tiêu chuẩn tối ưu để giải quyết bài toán tối thiểu hóa bằng cách điều chỉnh các tham số của bộ điều khiển công suất GCN và bộ điều khiển.
61 áp suất GCP trong cấu trúc điều khiển phối hợp lò hơi và tuabin - máy phát bằng giải thuật di truyền.
Trong luận án này, chúng tôi sẽ tập trung vào hai chỉ tiêu chính: JN và Jf Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra tầm quan trọng của việc giảm tiêu thụ nhiên liệu trong quá trình sản xuất mỗi MW điện, đồng thời nhấn mạnh đến khả năng đạt được hiệu suất tối ưu nhất.
Nghiên cứu tập trung vào việc giảm thiểu ảnh hưởng của việc điều chỉnh van tuabin và tốc độ cháy đến công suất máy phát, đồng thời xem xét các chỉ tiêu liên quan đến từng tham số nhỏ trong quá trình vận hành nhà máy nhiệt điện như lưu lượng than, lưu lượng khói, quạt ID, quạt FD và lưu lượng phun giảm ôn Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng đề cập đến thời gian tác động nhanh nhất cho các tham số điều khiển van nhiên liệu, van hơi và van nước cấp Tuy nhiên, luận án này sẽ giới hạn việc phân tích ảnh hưởng của các tham số trong bộ điều khiển hệ phụ tải nhiệt bằng cách điều chỉnh tham số bộ điều khiển theo tiêu chuẩn tối ưu vận hành nhằm tiết kiệm nhiên liệu và duy trì công suất Các chỉ tiêu điều khiển bám công suất sẽ được tính toán dựa trên tiêu chuẩn tích phân trị tuyệt đối sai lệch công suất là cực tiểu.
J N Đối với chỉ tiêu về chi phí nhiên liệu cực tiểu min (kg than/kWh), được tính: t W f (t )dt
Dùng giải thuật di truyền để tìm tham số tối ưu của bộ điều khiển theo tiêu chuẩn J N và J f
Tác giả áp dụng giải thuật di truyền để tối ưu hóa các tham số của hai bộ điều khiển PI và PID trong mô hình điều khiển phối hợp mới, nhằm đáp ứng hai chỉ tiêu vận hành đã đề ra Bốn bộ điều khiển lò hơi được đảm bảo chất lượng theo tiêu chuẩn vận hành của nhà máy nhiệt điện đốt than.
Việc áp dụng giải thuật di truyền (GA) để tối ưu hóa tham số cho các bộ điều khiển hệ phụ tải nhiệt đã được nhiều tác giả nghiên cứu trước đây Tuy nhiên, mục tiêu của các nghiên cứu này khác với mục tiêu mà luận án này đề xuất.
GA để tối ưu các tham số bộ điều khiển PID trong hệ điều khiển phụ tải nhiệt
Trong nghiên cứu, độ mở van tuabin được xác định theo công suất tải và mức nước bao hơi, với 62 kênh khác nhau Hàm mục tiêu được đề cập trong tài liệu [26] liên quan đến các hàm trọng lượng tương ứng với giá trị lưu lượng nước cấp và sai lệch e(t) của hệ điều khiển Nghiên cứu [57] đã áp dụng giải thuật để tối ưu hóa các tham số này.
GA được sử dụng để tìm kiếm các tham số tối ưu cho sáu vùng tạo nhiệt của bộ điều tốc, tuabin và máy phát Ngoài ra, GA cũng giúp tối ưu hóa tham số của damper nhằm giảm thiểu tác động đỉnh đường cong trong đáp ứng tần số khi hệ thống gặp hiện tượng cộng hưởng.
Hàm mục tiêu J được xác định bởi các chỉ tiêu tối ưu liên quan đến sai lệch bình phương giữa công suất phát đặt và công suất phát thực, cùng với chỉ tiêu tiết kiệm than, thể hiện qua tỷ lệ bình phương của lưu lượng nhiên liệu so với công suất phát thực Các hàm mục tiêu này là cơ sở để tinh chỉnh bộ điều khiển GCN và GCP.
Mục đích của giải thuật GA được áp dụng là tìm kiếm các giá trị {Kp1_out,
Bộ điều khiển Gcn và Gcp của hệ điều khiển phối hợp mới được tối ưu hóa với các tham số KI1_out, Kp2_out, KI2_out, Kd2_out, nhằm đạt giá trị cực tiểu cho các hàm Ji (i=N,f) Mục tiêu của thuật toán GA là tối thiểu hóa hàm mục tiêu: min{Ji(i=N,f)}.
Để thu hẹp không gian tìm kiếm cho thuật toán GA, chúng ta giả định rằng các giá trị tối ưu {Kp1_out, KI1_out, Kp2_out, KI2_out, Kd2_out} sẽ nằm xung quanh một giá trị nhất định.
Các tham số {Kp1, Ki1, Kp2, Ki2, Kd2} của hai bộ điều khiển Gcn và Gcp được xác định dựa trên nguyên lý IMC và công cụ PID Turner trong Matlab&Simulink Các giới hạn tìm kiếm cho năm thông số của bộ điều khiển PID đã được thiết lập cụ thể.
Các hệ số α và β được lựa chọn để đảm bảo không gian tìm kiếm đủ rộng nhằm chứa giá trị tối ưu mong muốn Kết quả mô phỏng trên hệ phụ tải nhiệt với cấu trúc điều khiển phối hợp mới cho thấy rằng α=0 và β=0 là các giá trị thỏa mãn.
Giải thuật GA, như minh họa trong hình 3.1, được phát triển để tối ưu hóa các giá trị {Kp1_out, KI1_out, Kp2_out, KI2_out}.
Kd2_out} thỏa mãn các hàm mục tiêu (3.3) với không gian tìm kiếm được giới hạn bởi (3.4):
Khởi tạo quần thể ngẫu nhiên ban đầu cho Kp1, Ki1, Kp2, Ki2, Kd2 của Gcp và Gcn
Thiết lập PID và mô phỏng mô hình hệ kín để xác định e(t) Ước lượng giá trị hàm mục tiêu
Các thủ tục của GA:
Lưu giá trị tối ưu Kp1_out, Ki1_out, Kp2_out, Ki2_out, Kd2_out
Hình 2.36 minh họa lưu đồ thuật toán GA được sử dụng để xác định các thông số PID cho hai bộ điều khiển công suất Gcn và bộ điều khiển áp suất Gcp trong hệ thống điều khiển phối hợp mới.
Chương trình giải thuật di truyền (GA) được sử dụng để tìm tham số tối ưu cho bộ điều khiển phụ tải nhiệt, với các thông số cụ thể như sau: quá trình tiến hóa diễn ra qua 30 thế hệ, quần thể ban đầu gồm 25 cá thể, tần suất lai ghép là 0.9 và xác suất đột biến là 0.1 Mỗi cá thể trong quần thể chứa 5 nhiễm sắc thể, tương ứng với hai tham số bộ điều khiển công suất (Gcn) theo cấu trúc PI là Kp1 và Ki1, cùng với ba tham số bộ điều khiển áp suất (Gcp) theo cấu trúc PID là Kp2, Ki2 và Kd2.
Kết quả chạy giải thuật GA tìm được lời giải tối ưu sau 30 thế hệ trên hình3.2:
Hình 2.37 Hàm mục tiêu J giảm dần qua 30 thế hệ của giải thuật di truyền GA
Giá trị hàm mục tiêu đã giảm dần đến mức tối thiểu, và các tham số tối ưu cho bộ điều khiển PID đã được xác định như sau:
Tham số bộ điều khiển công suất GCN là Kp1_out = 4.3; Ki1_out = 0.017
Tham số bộ điều khiển áp suất GCP là Kp2_out = 41; Ki2_out = 0.05; Kd2_out
Kịch bản mô phỏng được giữ nguyên như trong chương 2 của luận án, áp dụng cho cấu trúc điều khiển phối hợp mới mà không có nhiễu Hình 3.3 trình bày kết quả mô phỏng chế độ điều khiển phối hợp sử dụng GA, bao gồm các chỉ số như: đáp ứng công suất Ne (%), đáp ứng áp suất Ph (%), đáp ứng lưu lượng nhiên liệu Wf (%), đáp ứng lưu lượng hơi Wh (%), đáp ứng mức nước bao hơi H (m), đáp ứng nồng độ O2 dư (%), đáp ứng áp suất buồng đốt Pbđ (Pa), và đáp ứng nhiệt độ hơi quá nhiệt Th (°C).
Hình 2.38 Các đáp ứng mô phỏng của chế độ điều khiển sử dụng GA
Khi điều chỉnh hai bộ điều khiển theo phương pháp GA, chất lượng và độ ổn định của đáp ứng từ bốn mạch vòng điều khiển lò hơi vẫn được duy trì.