Đặt vấn đề Nhà máy điện nhiệt (NMNĐ) đốt than gồm tập hợp rất nhiều thiết bị trong các quá trình để biến đổi năng lượng: Chuyển hóa nhiệt năng từ đốt cháy các loại nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí…) trong lò hơi, truyền nhiệt cho môi chất là nước để hóa hơi, sau đó hơi sẽ được dẫn đi đến tuabin – máy phát để sinh công và phát điện năng. Như vậy lò hơi là nguồn phát nhiệt, tuabin – máy phát là hộ phụ tải tiêu thụ nhiệt. Hệ điều khiển phụ tải nhiệt được hiểu là với một yêu cầu công suất điện cần phát, ta phải điều khiển các đại lượng đầu vào lò hơi (than, gió, nước) và điều khiển các quá trình biến đổi năng lượng trong lò hơi tạo ra năng lượng nhiệt cấp cho hệ tuabin – máy phát (hộ tiêu thụ nhiệt) phát ra công suất điện đáp ứng theo yêu cầu. Vì vậy, hệ điều khiển phụ tải nhiệt là cốt lõi của hệ điều khiển nhà máy nhiệt điện, nó ảnh hưởng tới ổn định và chất lượng của sản xuất điện năng trong nhà máy điện.
Trong chương này sẽ đi nghiên cứu tổng quan các cấu trúc điều khiển trong hệ phụ tải nhiệt và các vấn đề nghiên cứu nâng cao chất lượng cho hệ điều khiển phụ tải nhiệt, từ đó xác định phạm vi nghiên cứu và mục tiêu của luận án.1 Tổng quan về công nghệ nhiệt điện 1. Công nghệ đốt than phun (Pulverized Coal –PC) Công nghệ đốt than phun là công nghệ truyền thống được áp dụng rộng rãi nhất trong các NMNĐ đốt than và chiếm chủ yếu trong các NMNĐ ở Việt Nam. Trong lò hơi công nghệ này, nhiên liệu khí (gió), nhiên liệu lỏng (dầu) phun thành bụi, nhiên liệu rắn (than) nghiền thành bột được phun vào buồng lửa, hỗn hợp với không khí và tiến hành các giai đoạn của quá trình cháy trong không gian buồng lửa. Lò hơi đốt than phun được sản xuất với rất nhiều loại công suất, từ vài chục đến cỡ 1300MW.
Các lò hơi đang vận hành hiện nay phổ biến là trong dải công suất từ 300-600MW thông số cận tới hạn (16,7MPa, 538oC/538oC), tuy nhiên xu hướng hiện nay của thế giới là sử dụng các tổ máy lớn với thông số siêu tới hạn (24,2MPa, 566oC/566oC) và trên siêu tới hạn (31MPa, 600oC/650oC). Công nghệ đốt tầng sôi tuần hoàn (CFB) Công nghệ tầng sôi tuần hoàn (Circulating Fluidized Bed – CFB) hiện nay là dạng công nghệ tầng sôi phổ biến nhất cả trong công nghiệp cũng như NMNĐ. Lò CFB có nguyên liệu là than và đá vôi đập nhỏ được đưa đồng thời vào phần dưới buồng đốt có nhiệt độ từ 8500 C đến 9500C. Các lò CFB cho phép sử dụng các loại nhiên liệu biến thiên trong dải rộng: than xấu, than bùn, than antraxit, than bitum,.
Gần đây cũng đã xuất hiện lò 4 CFB siêu tới hạn với công suất lớn được đưa vào vận hành (ví dụ tại Lagisza, Ba Lan, thông số 28,3 MPa, 563°C/582°C, công suất 460MW bởi Foster Wheeler).2 Phân loại NMNĐ theo loại tuabin [1][2][3][6][7] Tuabin ngưng hơi: Phụ tải nhiệt chỉ dùng để phát điện. Đối với tuabin loại này, 100% lưu lượng hơi vào tuabin để sinh công, sau khi ra khỏi tuabin áp suất hơi thấp (gần áp suất khí quyển) được ngưng thành nước quay trở lại lò hơi. Loại tuabin này dùng cho nhà máy phát điện công suất lớn. Tuabin đối áp: Phụ tải nhiệt gồm hai đại lượng: Điện năng và nhiệt năng.
Lưu lượng hơi sau khi ra khỏi tầng cao áp của tuabin sẽ trích một phần lưu lượng hơi với áp suất cao để dẫn đi tới các hộ phụ tải nhiệt để gia nhiệt (sấy, nấu v. Nhà máy điện tuabin đối áp được dùng trong các nhà máy hóa chất, các nhà máy chế biến thực phẩm v., thường có công suất nhỏ cỡ 30MW.3 Phân loại NMNĐ theo áp suất hơi [3][7] Dựa theo thông số quan trọng là áp suất hơi, lò hơi được phân chia thành các loại: Thông số hơi cận tới hạn (Subcritical), siêu tới hạn (Supercritical) và trên siêu tới hạn (Ultra-supercritical). Có nhiều phân chia khác nhau về ranh giới giữa siêu tới hạn và trên siêu tới hạn, dưới đây là các thông số điển hình cho các loại nhà máy dưới tới hạn, siêu tới hạn và trên siêu tới hạn trên thế giới: Cận tới hạn (Subcritical): áp suất hơi quá nhiệt 16,7MPa, nhiệt độ quá nhiệt/ tái nhiệt 538°C/538°C. Siêu tới hạn (Supercritical): áp suất hơi quá nhiệt 24,2MPa, nhiệt độ quá nhiệt/ tái nhiệt 566°C/566°C.
Trên siêu tới hạn (Ultra-supercritical): áp suất hơi quá nhiệt 31MPa, nhiệt độ quá nhiệt/ tái nhiệt 600°C/600°C. Hiện nay trên thế giới, các nhà máy nhiệt điện thông số hơi cận tới hạn vẫn là chủ đạo kể cả ở những nước phát triển, nhưng xu hướng sử dụng thông số siêu tới hạn ngày càng phổ biến, nhất là ở những nơi giá nhiên liệu đắt và phải chịu nhiều sức ép cắt giảm khí phát thải nhà kính. Thông số hơi trên siêu tới hạn cũng rất được quan tâm, nhưng còn gặp nhiều trở ngại về việc phát triển các vật liệu cao cấp cho chế tạo lò hơi và tuabin. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, tác giả nghiên cứu hệ phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện lò hơi đốt than phun, tuabin ngưng hơi, áp suất cận tới hạn là 16,7MPa, nhiệt độ hơi quá nhiệt là 538 - 541°C.4 Nguyên lý làm việc cơ bản của NMNĐ đốt than phun áp suất cận tới hạn [3][4][5][8][9][10] NMNĐ đốt than phun bao gồm các thiết bị chính: Lò hơi – Tuabin – Máy phát (Boiler/Turbine/Generator) thường được gọi là khối tổ máy (unit) và các hệ thống phụ trợ khác: ngưng hơi, hâm, khử khí,…Hình 1.1 đưa ra một cấu hình điển hình của một nhà máy nhiệt điện: 5 Hình 1.1 Cấu hình điển hình một tổ máy NMNĐ[3][9] Sơ đồ nhiệt nguyên lý (mặt cắt đứng) một tổ máy nhiệt điện được thể hiện tại hình 1.2 thể hiện giản đồ công nghệ của một tổ máy trong nhà máy nhiệt điện gồm: một lò hơi, một tuabin-máy phát.
Đây là tổ máy có lò hơi đốt than phun, có bao hơi (Drum). Nguyên lý vận hành cho tổ máy như sau: Nhiên liệu gồm than (Wf) và gió (Wa) được đưa vào buồng đốt với lưu lượng tùy theo công suất đặt. Nước từ bao hơi (BH) đi xuống các đường ống sinh hơi (SH) được bố trí xung quanh thành lò, nước sẽ nhận nhiệt năng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu trong lò và trở thành hơi bão hòa. Hơi nước bão hòa sẽ được gia nhiệt từ các bộ quá nhiệt trần, quá nhiệt hộp, quá nhiệt tường phân chia, quá nhiệt cấp 1, quá nhiệt cấp 2, quá nhiệt cấp 3 và được phun giảm ôn để điều chỉnh nhiệt độ khoảng 541ºC để có thể đi tiếp vào tuabin cao áp (HP) sinh công (các bộ quá nhiệt, giảm ôn được vẽ tượng trưng trên hình vẽ QN).
Hơi đi vào tuabin cao áp có nhiệt độ là 541ºC và áp suất là khoảng 16,7Mpa và hơi ra từ tuabin cao áp có áp suất giảm còn 4,3MPa đồng thời nhiệt độ hơi cũng giảm còn khoảng hơn 350ºC (Do hơi đã mất đi một lượng nhiệt lớn để sinh công làm quay cánh tuabin cao áp). Vì vậy hơi này được đưa về bộ tái nhiệt (TN) để gia nhiệt bằng khói để đạt được nhiệt độ khoảng 540ºC và áp suất khoảng 4,1 MPa, sau đó được đưa vào tuabin trung áp (IP) để tiếp tục sinh công. Sau khi ra khỏi tuabin trung áp, dòng hơi sẽ đi tiếp đến tuabin hạ áp (LP) để sinh công lần cuối. Tuabin quay sẽ làm quay máy phát (G) và phát điện, tốc độ quay của máy phát được giữ 3000v/p để đảm bảo tần số lưới là 50Hz.
Hơi sau khi sinh công từ tuabin hạ áp lúc này có áp suất xấp xỉ áp suất khí quyển (khoảng 1atm), nhiệt độ đã giảm nhiều so với dòng hơi chính vào tuabin cao áp, tuy nhiên vẫn là rất cao và được đưa xuống bình ngưng để ngưng (BN) trở lại thành nước. Bình ngưng có hệ thống nước làm mát tuần hoàn và hệ thống hút chân không làm cho hơi nước được ngưng tụ nhanh chóng. Sau đó, nước được bơm trở lại bằng bơm Bnc, dòng nước Wnn được qua bộ hâm (HN) để gia nhiệt rồi được quay trở lại bao hơi theo điều khiển mức nước bao hơi. Trên hình vẽ ta thấy có đường nối tắt sau bơm quay trở lại bình 6 ngưng nhằm bảo vệ tránh bẹp bình ngưng khi mà lưu lượng nước ra lớn hơn so với lượng hơi vào gây chênh lệch áp suất.
Và thực tế thì nước sau khi ra khỏi bình ngưng thì nước còn phải qua các bộ gia nhiệt hạ áp và cao áp bằng hơi trích từ các tuabin cao áp, trung áp, hạ áp và bộ khử khí, trước khi nước đi vào bộ hâm nước. QN & GÔ Wngo Wh G BH HP IP TN LP Wnc SH Wlm Wf HN NH Wnc Bnc Wa BD QK Wkh Hình 1.2 Giản đồ công nghệ (Process Diagram) của một tổ máy NMNĐ [2][4][5][8][10-12] Vòng tuần hoàn của nước có thể được coi là chu trình kín nhưng có thể có hao hụt trong các quá trình nên tại các bộ gia nhiệt hạ áp thì có thêm nước được bơm thêm vào để đảm bảo nước tuần hoàn trong chu trình. Khói được hút bằng quạt khói (QK), sau khi khói gia nhiệt cho hơi trong các bộ quá nhiệt và tái nhiệt, gia nhiệt cho nước trong bộ hâm thì sẽ được cho qua bộ lọc bụi tĩnh điện rồi mới đưa ra ống khói để thải ra môi trường.2 Tổng quan về hệ điều khiển phụ tải nhiệt 1.1 Các quá trình và các mạch vòng điều khiển cơ bản của hệ phụ tải nhiệt [11-15] Trên Hình 1.3 mô tả các quá trình biến đổi năng lượng của hệ phụ tải nhiệt, có hai tổ hợp: Lò hơi - tuabin máy phát. Lò hơi nhận nhiên liệu gồm: than, gió, nước để tạo thành nhiệt năng qua các quá trình biến đổi cơ bản: Quá trình cấp nhiên liệu-gió, quá trình cấp nước, quá trình cháy, truyền nhiệt sinh hơi và quá trình quá nhiệt.
Tổ hợp tuabin-máy phát có hai quá trình biến đổi từ nhiệt năng thành cơ năng và cơ năng thành điện năng. 7 Khói Quá trình quá nhiệt Quá trình truyền nhiệt sinh hơi Nhiên liệu Qquá trình cháy Nhiệt năng Cơ năng Điện năng Tuabin Máy phát Gió Quá trình cấp nhiên liệu Nh = Phh.Wh Ncơ=Th.ω và gió Nước Quá trình cấp nước, Quá trình biến đổi nhiệt năng Tro, xỉ thành cơ năng Quá trình biến đổi nhiên liệu hóa thach thành nhiệt năng Quá trình biến đổi cơ năng thành điện năng Hình 1.