Nghiên Cứu Yếu Tố Chân Không Bình Ngưng Và Hệ Thống Điều Khiển

Nghiên cứu các yếu tố chân không bình ngưng và hệ thống điều khiển giúp tối ưu hóa hiệu suất và nâng cao độ tin cậy trong vận hành.

• Tác giả: Hà Lý Nhân
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Văn Mạnh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Nhiệt
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Thống Điều Khiển Chân Không Bình Ngưng Trong Nhà Máy Nhiệt Điện
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ CÁC HỆ THỐNG TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN
• 1.1. Nguồn cấp Năng lượng Việt Nam
• 1.2. Nhà máy nhiệt điện
• 1.3. Tổng quan nhà máy nhiệt điện Thái Bình
• 1.4. Thiết bị cung cấp nhiên liệu
• 1.5. Hệ thống lò hơi và thiết bị phụ
• 1.6. Hệ thống turbine và thiết bị phụ
• 1.7. Phần điện trong nhà máy
• 1.8. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: BÌNH NGỪNG, HỆ THỐNG HÚT CHÂN KHÔNG BÌNH NGỪNG VÀ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG
• 2.1. Nhiệm vụ và nguyên lý cấu tạo của bình ngừng trong nhà máy nhiệt điện
• 2.2. Các khái niệm liên quan đến bình ngừng
• 2.2.1. Áp suất hơi thoát và áp suất trong bình ngừng
• 2.2.2. Khái niệm về độ chân không bình ngừng
• 2.3. Suất phụ tải nhiệt và suất phụ tải hơi
• 2.4. Bội số làm lạnh, số chặng đường nước và chiều dài ống
• 2.5. Độ kín của hệ thống chân không và hỗn hợp không khí
• 2.6. Độ chênh nhiệt độ và độ hâm nước
• 2.7. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN VÀ XÁC ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU CHỈNH THEO PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG
• 3.1. Đặt bài toán
• 3.2. Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển áp suất chân không bình ngừng nhà máy nhiệt điện
• 3.2.1. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển
• 3.2.2. Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển áp suất chân không bình ngừng
• 3.2.3. Sơ đồ P&ID của hệ thống điều khiển hút chân không bình ngừng
• 3.2.4. Mô tả thiết bị và hoạt động của hệ thống hút chân không bình ngừng
• 3.2.5. Xác định tham số bộ điều chỉnh theo phương pháp truyền thống
• 3.3. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THÔNG SỐ BỘ ĐIỀU CHỈNH CHÂN KHÔNG BÌNH NGỪNG THEO PHƯƠNG PHÁP BỀN VỮNG TỐI ƯU
• 4.1. Tổ hợp phần mềm CASCAD thiết kế tối ưu hóa bền vững
• 4.1.1. Mục đích ý nghĩa của tổ hợp CASCAD
• 4.1.2. Nguyên lý tổ chức của tổ hợp. Những chức năng cơ bản của CASCAD
• 4.2. Thiết kế hệ thống dùng phần mềm CASCAD
• 4.2.1. Mô hình hóa đối tượng điều chỉnh
• 4.2.2. Trình tự mô hình hóa đối tượng trên CASCAD
• 4.2.3. Sử dụng phần mềm CASCAD thiết kế, tính toán tối ưu bộ điều chỉnh áp suất chân không bình ngừng
• 4.3. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN CHUNG
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Hệ Thống Điều Khiển Chân Không Bình Ngưng

Bài viết này tập trung phân tích về hệ thống điều khiển chân không trong bình ngưng của nhà máy nhiệt điện. Hệ thống điều khiển chân không đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất và độ ổn định của nhà máy. Việc tối ưu hóa hệ thống này giúp giảm tiêu thụ năng lượng, bảo vệ thiết bị và nâng cao hiệu quả kinh tế. Nghiên cứu của Hà Lý Nhân (2018) nhấn mạnh tầm quan trọng của việc duy trì độ chân không tối ưu trong bình ngưng để cải thiện hiệu suất nhiệt điện. Chúng ta sẽ đi sâu vào nguyên lý hoạt động, các yếu tố ảnh hưởng, và các phương pháp điều khiển hiện đại được áp dụng.

1.1. Giới Thiệu Chung Về Bình Ngưng Trong Nhà Máy Nhiệt Điện

Bình ngưng là một bộ phận quan trọng của nhà máy nhiệt điện, có nhiệm vụ ngưng tụ hơi nước sau khi đi qua turbine. Quá trình ngưng tụ tạo ra áp suất chân không, giúp tăng hiệu suất của turbine và giảm tiêu thụ năng lượng. Nguyên lý hoạt động bình ngưng dựa trên sự trao đổi nhiệt giữa hơi nước và nước làm mát. Nhiệt độ nước làm mát ảnh hưởng trực tiếp đến áp suất chân không trong bình ngưng. Duy trì điều khiển áp suất chân không ổn định là yếu tố then chốt để đạt hiệu quả cao.

1.2. Vai Trò Của Hệ Thống Điều Khiển Chân Không Trong Hiệu Suất

Hệ thống điều khiển chân không có nhiệm vụ duy trì áp suất chân không tối ưu trong bình ngưng, bất kể sự thay đổi của lưu lượng hơi nước, nhiệt độ nước làm mát, hoặc các yếu tố khác. Hệ thống này thường bao gồm bơm chân không, van điều khiển, và các cảm biến để đo áp suất và nhiệt độ. Điều khiển tự động giúp hệ thống phản ứng nhanh chóng với các biến động, đảm bảo vận hành hệ thống chân không ổn định và hiệu quả. Việc tối ưu hóa hệ thống chân không là yếu tố quyết định đến hiệu suất bình ngưng.

II. Vấn Đề Thường Gặp Với Hệ Thống Chân Không Giải Pháp

Việc duy trì hệ thống điều khiển chân không ổn định trong nhà máy nhiệt điện gặp nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là sự xâm nhập của không khí vào hệ thống, làm giảm độ chân không và hiệu suất bình ngưng. Các vấn đề khác bao gồm sự cố của bơm chân không, tắc nghẽn đường ống, và sự thay đổi của nhiệt độ nước làm mát. Để giải quyết những vấn đề này, cần có quy trình bảo trì hệ thống chân không định kỳ, kiểm tra rò rỉ, và sử dụng các phương pháp chẩn đoán lỗi hệ thống tiên tiến. Sơ đồ hệ thống chân không cần được hiểu rõ để xác định nhanh chóng các vị trí có thể xảy ra sự cố.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Áp Suất Chân Không Bình Ngưng

Áp suất chân không trong bình ngưng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ nước làm mát, lưu lượng hơi nước, độ kín của hệ thống, và hiệu suất của hệ thống thoát khí. Nhiệt độ nước làm mát cao làm giảm độ chân không, trong khi lưu lượng hơi nước lớn có thể gây quá tải cho hệ thống. Rò rỉ không khí vào hệ thống cũng là một vấn đề nghiêm trọng. Việc kiểm soát và điều chỉnh các yếu tố này là rất quan trọng để duy trì áp suất chân không ổn định.

2.2. Hướng Dẫn Cách Chẩn Đoán Lỗi Hệ Thống Hút Chân Không

Chẩn đoán lỗi hệ thống hút chân không đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về sơ đồ hệ thống chân không và nguyên lý hoạt động bình ngưng. Các phương pháp chẩn đoán phổ biến bao gồm kiểm tra áp suất tại các điểm khác nhau trong hệ thống, kiểm tra rò rỉ bằng các thiết bị chuyên dụng, và phân tích dữ liệu từ hệ thống SCADA. Khi phát hiện lỗi, cần xác định nguyên nhân gốc rễ và thực hiện các biện pháp khắc phục kịp thời. Việc bảo trì hệ thống chân không định kỳ giúp ngăn ngừa các sự cố và kéo dài tuổi thọ của thiết bị.

2.3. Tối Ưu Hóa Hệ Thống Thoát Khí Để Cải Thiện Chân Không

Hệ thống thoát khí đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ không khí và các khí không ngưng tụ ra khỏi bình ngưng. Hiệu suất của hệ thống thoát khí ảnh hưởng trực tiếp đến áp suất chân không và hiệu suất bình ngưng. Việc tối ưu hóa hệ thống thoát khí bao gồm kiểm tra và bảo trì bơm chân không, đảm bảo hoạt động ổn định của các van, và điều chỉnh lưu lượng khí thải. Việc sử dụng các công nghệ bơm chân không tiên tiến cũng giúp cải thiện hiệu suất của hệ thống.

III. Phương Pháp Điều Khiển PID Trong Hệ Thống Chân Không

Điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một phương pháp điều khiển phổ biến được sử dụng trong hệ thống điều khiển chân không của nhà máy nhiệt điện. Điều khiển PID điều chỉnh lưu lượng của các van hoặc tốc độ của bơm chân không để duy trì áp suất chân không mong muốn. Việc tinh chỉnh các tham số PID là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống phản ứng nhanh chóng và ổn định. Các phương pháp điều khiển tự động tiên tiến hơn, như điều khiển logic mờ, cũng có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất của hệ thống.

3.1. Hướng Dẫn Cài Đặt Bộ Điều Khiển PID Chân Không Hiệu Quả

Để cài đặt bộ điều khiển PID cho hệ thống chân không hiệu quả, cần xác định các tham số PID phù hợp. Các phương pháp tinh chỉnh PID phổ biến bao gồm phương pháp Ziegler-Nichols và phương pháp Cohen-Coon. Quan trọng là phải giám sát và điều chỉnh các tham số PID thường xuyên để hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Sử dụng phần mềm mô phỏng giúp tối ưu hóa các tham số PID trước khi triển khai thực tế.

3.2. Ứng Dụng Của Cảm Biến Áp Suất Và Nhiệt Độ Trong PID

Cảm biến áp suất và cảm biến nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong điều khiển PID hệ thống chân không. Cảm biến áp suất đo áp suất chân không thực tế, trong khi cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ nước làm mát. Dữ liệu từ các cảm biến này được sử dụng để tính toán sai số và điều chỉnh đầu ra của bộ điều khiển PID. Chất lượng và độ chính xác của các cảm biến này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của hệ thống điều khiển.

IV. Điều Khiển Logic Mờ Giải Pháp Tối Ưu Chân Không

Điều khiển logic mờ là một phương pháp điều khiển tự động tiên tiến có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất của hệ thống điều khiển chân không. Điều khiển logic mờ cho phép hệ thống xử lý các thông tin không chắc chắn và phi tuyến tính, giúp hệ thống phản ứng tốt hơn với các biến động trong nhà máy nhiệt điện. Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong các hệ thống phức tạp, nơi mà các phương pháp điều khiển truyền thống không đạt được hiệu quả cao.

4.1. Ưu Điểm Của Điều Khiển Logic Mờ So Với Điều Khiển PID

Điều khiển logic mờ có một số ưu điểm so với điều khiển PID trong hệ thống chân không. Điều khiển logic mờ có thể xử lý các thông tin không chắc chắn và phi tuyến tính, trong khi điều khiển PID chỉ hoạt động tốt trong các hệ thống tuyến tính và ổn định. Điều khiển logic mờ cũng dễ dàng điều chỉnh hơn, vì nó không yêu cầu tinh chỉnh các tham số phức tạp như PID.

4.2. Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Logic Mờ Cho Chân Không

Thiết kế hệ thống điều khiển logic mờ cho hệ thống chân không đòi hỏi kiến thức về nguyên lý hoạt động bình ngưng và các yếu tố ảnh hưởng đến áp suất chân không. Các bước thiết kế bao gồm xác định các biến đầu vào và đầu ra, xây dựng các luật mờ, và tinh chỉnh hệ thống để đạt được hiệu suất mong muốn. Mô phỏng hệ thống là một bước quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.

V. Ứng Dụng SCADA Trong Điều Khiển Chân Không Nhà Máy Điện

Hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và điều khiển hệ thống chân không của nhà máy nhiệt điện. Hệ thống SCADA thu thập dữ liệu từ các cảm biến trong hệ thống, hiển thị dữ liệu trên giao diện người dùng, và cho phép người vận hành điều khiển hệ thống từ xa. Hệ thống SCADA cũng có thể được sử dụng để phân tích dữ liệu, phát hiện các vấn đề tiềm ẩn, và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống.

5.1. Giám Sát Và Thu Thập Dữ Liệu Chân Không Qua SCADA

Hệ thống SCADA cho phép người vận hành giám sát áp suất chân không, nhiệt độ nước làm mát, lưu lượng hơi nước, và các thông số quan trọng khác trong hệ thống chân không theo thời gian thực. Hệ thống SCADA cũng lưu trữ dữ liệu lịch sử, cho phép người vận hành phân tích xu hướng và phát hiện các vấn đề tiềm ẩn. Dữ liệu thu thập được giúp đưa ra các quyết định điều chỉnh chính xác và kịp thời.

5.2. Điều Khiển Từ Xa Hệ Thống Chân Không Thông Qua SCADA

Hệ thống SCADA cho phép người vận hành điều khiển các van điều khiển, bơm chân không, và các thiết bị khác trong hệ thống chân không từ xa. Điều này giúp giảm thiểu thời gian phản ứng và cải thiện hiệu quả hoạt động của hệ thống. Hệ thống SCADA cũng có thể được sử dụng để thực hiện các thao tác bảo trì và sửa chữa từ xa.

VI. Tương Lai Tiết Kiệm Năng Lượng Hệ Thống Chân Không

Nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển chân không trong nhà máy nhiệt điện tiếp tục được đẩy mạnh nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt điện, giảm tiêu thụ năng lượng, và bảo vệ môi trường. Các xu hướng phát triển bao gồm sử dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến, tích hợp năng lượng tái tạo vào hệ thống, và tối ưu hóa vận hành hệ thống chân không để đáp ứng các yêu cầu ngày càng khắt khe của ngành điện.

6.1. Các Nghiên Cứu Mới Về Tối Ưu Hóa Hệ Thống Chân Không

Các nghiên cứu mới tập trung vào việc phát triển các phương pháp điều khiển tự động tiên tiến, sử dụng các vật liệu mới cho bình ngưng, và tối ưu hóa sơ đồ hệ thống chân không. Mục tiêu là giảm tổn thất năng lượng, tăng độ tin cậy của hệ thống, và kéo dài tuổi thọ của thiết bị. Các nghiên cứu cũng tập trung vào việc tích hợp hệ thống chân không với các hệ thống khác trong nhà máy nhiệt điện để tạo ra một hệ thống hoạt động hiệu quả và bền vững hơn.

6.2. Giải Pháp Tiết Kiệm Năng Lượng Và Bảo Vệ Môi Trường

Việc tối ưu hóa hệ thống chân không đóng góp vào việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. Giảm tiêu thụ năng lượng giúp giảm phát thải khí nhà kính và các chất ô nhiễm khác. Sử dụng các vật liệu thân thiện với môi trường trong bình ngưng và hệ thống chân không cũng góp phần giảm tác động tiêu cực đến môi trường. Việc bảo trì hệ thống chân không định kỳ giúp ngăn ngừa rò rỉ và các sự cố khác, giảm thiểu tác động đến môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ngành năng lượng điện tại Việt Nam đang trải qua giai đoạn phát triển mạnh mẽ nhằm đáp ứng mục tiêu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước đến năm 2020. Theo số liệu của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) năm 2015, tỷ trọng nhiệt điện than chiếm 33,74% trong tổng cơ cấu nguồn điện, dự kiến tăng lên 44,7% vào năm 2020. Điều này cho thấy sự mở rộng và xây dựng thêm các nhà máy nhiệt điện than là rất cần thiết. Nhà máy nhiệt điện than đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng ổn định, với các tổ máy công suất phổ biến từ 300 MW đến 1000 MW, áp dụng công nghệ đốt than phun và tầng sôi tuần hoàn.

Một trong những thiết bị quan trọng trong nhà máy nhiệt điện là bình ngưng, có nhiệm vụ ngưng tụ hơi thoát từ tuabin hạ áp thành nước ngưng, tạo chân không để nâng cao hiệu suất tuabin. Việc duy trì độ chân không ổn định trong bình ngưng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sản xuất điện và an toàn vận hành. Tuy nhiên, các yếu tố như biến động nhiệt độ nước làm mát, sự thay đổi mực nước sông, và sự xâm nhập không khí vào hệ thống chân không gây khó khăn trong việc điều khiển và duy trì chế độ chân không tối ưu.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ chân không bình ngưng và thiết kế hệ thống điều khiển tự động nhằm duy trì áp suất và mức nước bình ngưng trong điều kiện vận hành thực tế của nhà máy nhiệt điện than. Nghiên cứu tập trung vào các nhà máy nhiệt điện đốt than sử dụng tuabin ngưng hơi với bình ngưng kiểu ống có nước làm lạnh bên trong, trong phạm vi thời gian từ năm 2015 đến 2018 tại các nhà máy như Phả Lại 1, Ninh Bình, Uông Bí.

Việc nghiên cứu và ứng dụng hệ thống điều khiển chân không bình ngưng tối ưu không chỉ nâng cao hiệu suất phát điện mà còn góp phần giảm chi phí vận hành và tăng độ bền thiết bị, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế và an toàn cho nhà máy nhiệt điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết nhiệt động lực học chu trình Rankine: Giải thích quá trình giãn nở hơi trong tuabin và vai trò của bình ngưng trong việc tạo chân không để nâng cao hiệu suất chu trình nhiệt.

• Mô hình truyền nhiệt trong bình ngưng: Phân tích quá trình trao đổi nhiệt giữa hơi bão hòa và nước làm lạnh qua các ống truyền nhiệt, bao gồm các khái niệm về suất phụ tải nhiệt, suất phụ tải hơi, bội số làm lạnh, số chặng đường nước và độ hâm nước.

• Lý thuyết điều khiển tự động: Áp dụng các phương pháp điều khiển truyền thống và tối ưu bền vững để thiết kế bộ điều chỉnh áp suất và mức nước bình ngưng, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định trong điều kiện biến động môi trường và phụ tải.

Các khái niệm chuyên ngành chính bao gồm: áp suất hơi thoát (P2), áp suất bình ngưng (P), độ chân không bình ngưng, suất phụ tải nhiệt (qk), suất phụ tải hơi (dk), bội số làm lạnh (m), và độ kín hệ thống chân không.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các nhà máy nhiệt điện than tại Việt Nam, đặc biệt là nhà máy nhiệt điện Phả Lại 1, với số liệu vận hành thực tế về nhiệt độ nước sông, áp suất hơi thoát, mức nước bình ngưng và các thông số kỹ thuật thiết bị.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Phân tích số liệu thực nghiệm: Thu thập và xử lý số liệu vận hành bình ngưng, áp suất chân không, nhiệt độ nước làm lạnh, và lưu lượng nước tuần hoàn.

• Mô hình hóa toán học: Xây dựng mô hình toán học mô tả hệ thống điều khiển áp suất chân không và mức nước bình ngưng dựa trên các phương trình cân bằng nhiệt và động lực học dòng chảy.

• Thiết kế bộ điều khiển: Sử dụng phần mềm CASCAD để mô hình hóa đối tượng điều khiển và tính toán tham số bộ điều chỉnh theo phương pháp truyền thống và phương pháp tối ưu bền vững.

• Thời gian nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ năm 2016 đến 2018, với các bước thu thập số liệu, mô hình hóa, thiết kế và thử nghiệm hệ thống điều khiển.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm dữ liệu vận hành của ít nhất 2 tổ máy nhiệt điện than có công suất từ 300 MW đến 500 MW, được chọn mẫu ngẫu nhiên từ các nhà máy có điều kiện vận hành tương tự nhằm đảm bảo tính đại diện và khả năng áp dụng kết quả.

Phương pháp phân tích sử dụng kết hợp phân tích thống kê mô tả, mô phỏng hệ thống điều khiển và đánh giá hiệu quả qua các chỉ số áp suất chân không, mức nước bình ngưng và hiệu suất nhiệt của tổ máy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nước làm lạnh đến áp suất chân không bình ngưng: Số liệu tại nhà máy Phả Lại 1 cho thấy nhiệt độ nước sông thay đổi từ 15°C vào mùa đông đến 32°C vào mùa hè, làm suất phụ tải nhiệt bình ngưng dao động trong khoảng 50-90 W/m². Áp suất bình ngưng tăng lên khi nhiệt độ nước làm lạnh tăng, làm giảm độ chân không và hiệu suất tuabin.

2. Tác động của mức nước sông và lưu lượng nước tuần hoàn: Mực nước sông thay đổi từ 0,6 m đến 6,5 m theo mùa, ảnh hưởng đến khả năng cung cấp nước làm lạnh và điều chỉnh lưu lượng bơm tuần hoàn. Việc điều chỉnh góc quay cánh bơm giúp duy trì lưu lượng nước làm lạnh ổn định, đảm bảo suất phụ tải hơi bình ngưng trong khoảng 0,1-0,3 kg/(m².s).

3. Ảnh hưởng của không khí lọt vào hệ thống chân không: Lượng không khí lọt vào bình ngưng qua các khe hở và rò rỉ làm giảm độ kín hệ thống, tăng áp suất hỗn hợp hơi-không khí trong bình ngưng lên khoảng 5-10% so với áp suất hơi bão hòa, gây giảm hiệu suất sản xuất điện.

4. Hiệu quả của bộ điều khiển áp suất chân không thiết kế bằng phần mềm CASCAD: Việc áp dụng phương pháp tối ưu bền vững trong thiết kế bộ điều chỉnh giúp giảm sai số áp suất bình ngưng xuống dưới 2%, tăng độ ổn định hệ thống và giảm thời gian đáp ứng điều khiển từ 15 giây xuống còn khoảng 8 giây so với phương pháp truyền thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự biến động áp suất chân không bình ngưng là do điều kiện môi trường thay đổi theo mùa, đặc biệt là nhiệt độ và mực nước sông. Sự thay đổi này ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình truyền nhiệt và lưu lượng nước làm lạnh, từ đó làm thay đổi áp suất và mức nước trong bình ngưng. Kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo ngành và các nghiên cứu tương tự trong khu vực, khẳng định tầm quan trọng của việc điều khiển tự động để duy trì chế độ vận hành ổn định.

Việc không khí lọt vào hệ thống chân không làm giảm hiệu suất truyền nhiệt và tăng áp suất bình ngưng, do đó cần thiết phải có hệ thống hút chân không hiệu quả và đảm bảo độ kín của hệ thống. Các biểu đồ áp suất chân không và mức nước bình ngưng có thể được trình bày qua biểu đồ thời gian để minh họa sự ổn định và hiệu quả của bộ điều khiển thiết kế.

So với các nghiên cứu trước đây, việc ứng dụng phần mềm CASCAD và phương pháp tối ưu bền vững trong thiết kế bộ điều khiển là bước tiến mới, giúp nâng cao hiệu quả điều khiển và giảm thiểu tổn thất năng lượng trong nhà máy nhiệt điện.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống điều khiển tự động áp suất và mức nước bình ngưng: Áp dụng bộ điều khiển thiết kế theo phương pháp tối ưu bền vững sử dụng phần mềm CASCAD nhằm duy trì áp suất chân không ổn định trong phạm vi ±2% so với giá trị thiết kế. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: Ban kỹ thuật vận hành nhà máy nhiệt điện.

2. Nâng cao độ kín hệ thống chân không: Kiểm tra, bảo dưỡng và cải tiến các mối nối, van và thiết bị hút chân không để giảm lượng không khí lọt vào bình ngưng xuống dưới 5% tổng lượng hơi thoát. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: Đội bảo trì và kỹ thuật.

3. Tối ưu hóa vận hành bơm tuần hoàn nước làm lạnh: Điều chỉnh góc quay cánh bơm và phân chia các chế độ vận hành phù hợp với biến động mực nước sông nhằm duy trì lưu lượng nước làm lạnh ổn định, đảm bảo suất phụ tải nhiệt bình ngưng trong khoảng 50-90 W/m². Thời gian thực hiện: 3 tháng. Chủ thể thực hiện: Phòng vận hành.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho nhân viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về nguyên lý hoạt động bình ngưng, hệ thống chân không và kỹ thuật điều khiển tự động để nâng cao hiệu quả vận hành và xử lý sự cố kịp thời. Thời gian thực hiện: liên tục hàng năm. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý nhân sự và đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư vận hành nhà máy nhiệt điện: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các yếu tố ảnh hưởng đến bình ngưng, giúp cải thiện hiệu quả vận hành và xử lý sự cố.

2. Chuyên gia thiết kế hệ thống điều khiển tự động: Tham khảo phương pháp thiết kế bộ điều khiển áp suất chân không sử dụng phần mềm CASCAD và phương pháp tối ưu bền vững, áp dụng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp tương tự.

3. Nhà quản lý kỹ thuật và bảo trì: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến độ kín hệ thống chân không và các biện pháp bảo dưỡng, nâng cấp thiết bị nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành nhà máy.

4. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật nhiệt và tự động hóa: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu về kỹ thuật nhiệt, truyền nhiệt, điều khiển tự động và ứng dụng trong ngành năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phải duy trì độ chân không trong bình ngưng?
   Độ chân không trong bình ngưng giúp giảm áp suất hơi thoát khỏi tuabin, từ đó tăng hiệu suất chuyển đổi nhiệt năng thành cơ năng. Ví dụ, áp suất thấp hơn làm giảm nhiệt độ ngưng tụ, giúp tuabin hoạt động hiệu quả hơn.

2. Yếu tố nào ảnh hưởng lớn nhất đến áp suất chân không bình ngưng?
   Nhiệt độ nước làm lạnh và lượng không khí lọt vào hệ thống chân không là hai yếu tố chính. Nước làm lạnh có nhiệt độ cao làm giảm khả năng ngưng tụ, còn không khí lọt vào làm tăng áp suất hỗn hợp hơi-không khí.

3. Phương pháp nào được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển áp suất chân không?
   Phương pháp truyền thống kết hợp với phương pháp tối ưu bền vững được áp dụng, sử dụng phần mềm CASCAD để mô hình hóa và tính toán tham số bộ điều chỉnh nhằm đạt hiệu quả điều khiển cao nhất.

4. Làm thế nào để giảm lượng không khí lọt vào bình ngưng?
   Bảo dưỡng định kỳ các mối nối, van, và sử dụng hệ thống hút chân không hiệu quả giúp giảm rò rỉ không khí. Ngoài ra, thiết kế hệ thống kín và kiểm tra thường xuyên cũng rất quan trọng.

5. Tại sao phải điều chỉnh lưu lượng bơm tuần hoàn nước làm lạnh?
   Lưu lượng nước làm lạnh ảnh hưởng trực tiếp đến suất phụ tải nhiệt và áp suất chân không bình ngưng. Điều chỉnh lưu lượng giúp duy trì nhiệt độ và áp suất ổn định, đảm bảo hiệu suất và an toàn vận hành.

Kết luận

• Nghiên cứu đã làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến độ chân không bình ngưng trong nhà máy nhiệt điện than, đặc biệt là nhiệt độ nước làm lạnh, mực nước sông và lượng không khí lọt vào hệ thống.

• Việc thiết kế bộ điều khiển áp suất chân không sử dụng phần mềm CASCAD và phương pháp tối ưu bền vững giúp nâng cao hiệu quả điều khiển, giảm sai số và thời gian đáp ứng.

• Ứng dụng hệ thống điều khiển tự động và cải tiến độ kín hệ thống chân không góp phần tăng hiệu suất phát điện và đảm bảo an toàn vận hành.

• Đề xuất các giải pháp thực tiễn bao gồm triển khai hệ thống điều khiển, bảo dưỡng thiết bị, tối ưu vận hành bơm tuần hoàn và đào tạo nhân viên.

• Các bước tiếp theo là triển khai thử nghiệm hệ thống điều khiển tại nhà máy, đánh giá hiệu quả thực tế và mở rộng ứng dụng cho các nhà máy nhiệt điện khác.

Khuyến nghị: Các nhà máy nhiệt điện và đơn vị quản lý kỹ thuật nên phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất điện và đảm bảo an toàn vận hành trong bối cảnh phát triển ngành năng lượng Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU: TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC ĐÍCH CHỌN ĐỀ TÀI Nƣớc ta hiện nay đang trong thời kỳ hiện đại hoá - công nghiệp hoá đất nƣớc, mục tiêu phấn đấu tới hết năm 2020. Để đáp ứng mục tiêu này, một điều đã rõ ràng là phải đẩy mạnh sự phát triển của ngành năng lƣợng điện. Bởi vì nó là ngành cần đƣợc phát triển trƣớc một bƣớc. Trong thực tế mấy năm qua cho thấy: chúng ta đã liên tiếp khai thác các nguồn năng lƣợng khác nhau để sản suất điện năng.

Bên cạnh các nhà máy thủy điện, nhiệt điện đốt than, tuabin khí đang đƣợc sử dụng thì cũng đã có rất nhiều nhà máy điện đang đƣợc xây dựng và đƣa vào vận hành. Theo số liệu thống kê của tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) thông báo tình hình hoạt động đầu tƣ xây dựng và sản xuất kinh doanh tháng 4 năm 2015, trong đó thủy điện chiếm 32,27%, nhiệt điện than chiếm 33,74%, tuabin khí chiếm 32,67%, nhiệt điện dầu chiếm 0,14% và nhập khẩu Trung Quốc chiếm 1,17%. Theo chƣơng trình phát triển nguồn điện, dần dần thủy điện sẽ giảm, nhiệt điện than tăng, tua bin khí + dầu sẽ tăng trong mấy năm tới. Cụ thể, cho tới năm 2020 thì tỷ trọng của các loại điện này sẽ là: Thủy điện 26,6%, nhiệt điện than tăng lên 44,7%, nhiệt dầu khí 19,6%, nguồn năng lƣợng tái tạo 4,8%, nhập khẩu 2,8% (theo số liệu của chƣơng trình phát triển nguồn điện, Tổng công ty Điện lực Việt Nam).

Qua số liệu thống kê ta thấy năm 2015 nhiệt điện đốt than chiếm 33,74% thì đến năm 2020 dự kiến tăng lên 44,7%. Điều đó chứng tỏ ngoài các nhà máy nhiệt điện đốt than đang vận hành nhƣ là nhà máy nhiệt điện Phả Lại 1, 2; nhà máy nhiệt điện Ninh Bình, nhà máy nhiệt điện Uông Bí; nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả; nhà máy nhiệt điện Hải Phòng; nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh,. thì việc mở rộng và xây thêm nhà máy Nhiệt điện than là điều hết sức cần thiết. Vấn đề về vận hành, thiết kế mở rộng nhà máy làm sao cho kinh tế và hiệu quả nhất sẽ là rất quan trọng.

Trong đó có một vấn đề là duy trì độ chân không có lợi nhất cho bình ngƣng. Thực tế cũng cho thấy hầu hết các nhà máy nhiệt điện ngƣng hơi của nƣớc ta đã có đều dùng nguồn nƣớc làm mát là nƣớc sông theo sơ đồ hở, ví dụ nhƣ: nhà máy nhiệt điện Phả Lại 1 dùng nƣớc sông Thái Bình, nhà máy nhiệt điện Uông Bí dùng nƣớc sông Uông, nhà máy nhiệt điện Ninh Bình dùng nƣớc sông Đáy. Điều kiện khí hậu nƣớc ta lại thay đổi rất rõ rệt theo mùa, nhiệt độ trung bình nƣớc sông thay đổi rất 2 nhiều giữa mùa đông và mùa hè. Theo số liệu khảo sát đƣợc tại Phả Lại của sông Thái Bình thì nhiệt độ thấp nhất về mùa đông là 15°C, trong khi đó, về mùa hè nhiệt độ cao nhất lại lên tới 32°C.

Điều này làm ảnh hƣởng tới quá trình truyền nhiệt trong bình ngƣng và do đó làm thay đổi chế độ chân không bình ngƣng. Nƣớc sông lại có nhiều phù sa, các sinh vật phù du, các động vật thân mềm cũng nhƣ hà hến. đều làm ảnh hƣởng tới vấn đề đóng cáu cặn trong ống bình ngƣng, gây cản trở dòng nƣớc làm mát đi trong ống. Nhƣ thực tế vận hành bình ngƣng tại nhà máy nhiệt điện Phả Lại 1 cho thấy, nhà máy phải có chế độ rửa ngƣợc đƣờng ống tuần hoàn bằng nƣớc nóng (45 † 53 0C) để diệt hà hến và thông cáu cặn.

Lọt khí và sự làm việc của thiết bị hút thải không khí cũng có ảnh hƣởng lớn tới truyền nhiệt và do đó tới áp suất bình ngƣng. Hơn nữa, mực nƣớc sông cũng thƣờng xuyên thay đổi. Về mùa mƣa (từ tháng 6 đến hết tháng 8), mức nƣớc sông thực tế cao nhất tại Phả Lại đo đƣợc tại cửa hút của bơm tuần hoàn là 5 † 6,5 m, nhƣng về mùa khô (từ tháng 11 đến hết tháng 2) thì lại rất thấp, chỉ từ 0,6 † 1,5 m. Sự thay đổi nhiều về mức nƣớc sông này cũng gây khó khăn cho việc điều chỉnh sự làm việc của các bơm tuần hoàn.

Do đó thực tế nhà máy đã phải chia ra các phƣơng thức vận hành hệ thống bơm tuần hoàn khác nhau và cách đấu nối các bơm này vào hệ thống cũng nhƣ việc điều chỉnh góc quay của cánh bơm sao cho các bơm đƣợc làm việc trong vùng ổn định, đạt hiệu suất cao nhất có thể và cung cấp đủ lƣợng nƣớc cần thiết cho việc làm mát và các nhu cầu khác của nhà máy. Phụ tải điện đƣợc phép phát cũng thƣờng xuyên phải thay đổi do phần lớn các nhà máy nhiệt điện đều phải đáp ứng phần phụ tải nửa ngọn hoặc phụ tải ngọn trong đồ thị phân phối phụ tải chung của Quốc gia. Chế độ vận hành thƣờng xuyên bị thay đổi do độ dao động lớn của đồ thị phụ tải làm thay đổi phụ tải nhiệt của bình ngƣng. Nếu chế độ duy trì chân không và chế độ cung cấp nƣớc làm mát không đáp ứng tốt thì cũng sẽ làm giảm hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất điện ở các nhà máy nhiệt điện kiểu tuabin ngƣng hơi này.

Tóm lại, do điều kiện thời tiết, khí hậu đặc thù nhƣ trên, do yêu cầu thay đổi phụ tải điện, do các điều kiện trực tiếp hay gián tiếp khác có ảnh hƣởng đến vận hành hệ thống sản xuất điện và tới hệ thống bình ngƣng mà một vấn đề có tính cấp thiết đặt ra cho nghiên cứu là làm sao cho có thể điều khiển vận hành hệ thống bình ngƣng một cách kinh tế và an toàn nhất. Ở mỗi một chế độ vận hành khác nhau 3 về điều kiện bên ngoài cũng nhƣ bên trong hệ thống bình ngƣng, làm sao cho có đƣợc một bộ các thông số để duy trì mà đó là một bộ các thông số thích hợp nhất về cả mặt kỹ thuật cũng nhƣ mặt kinh tế trong quá trình sản xuất điện năng. Đối với bình ngƣng để đảm bảo chế độ vận hành hiệu quả kinh tế cũng nhƣ an toàn cho thiết bị thì hai tham số chính là áp suất bình ngƣng và mức nƣớc bình ngƣng là không thể không quan tâm. Do vậy trong giới hạn của đề tài này ta đi thiết kế bộ điều khiển cho hai đại lƣợng này.

Đề tài này có một ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng, đó là vì khi ta đã vận hành hệ thống hút chân không bình n gƣng tối ƣu thì đƣơng nhiên là hiệu quả kinh tế (hiệu suất sản xuất điện) chung của cả nhà máy điện sẽ đƣợc cải thiện và do đó trong quá trình vận hành nhà máy nhiệt điện sẽ đem lại lợi ích cao hơn. Tuy nhiên trong quá trình vận hành thực tế, có nhiều yếu tố bên ngoài tác động tới bình ngƣng, làm cho bình ngƣng không vận hành đƣợc chính xác các thông số nhƣ đã thiết kế. Điều này ảnh hƣởng rất lớn đến hiệu quả vận hành của toàn hệ thống nhà máy điện cũng nhƣ nguy cơ mất an toàn cho cấu trúc của bình ngƣng. Vì vậy, đòi hỏi phải có bộ điều khiển tự động đáp ứng đƣợc các yêu cầu cần thiết giúp cho bình ngƣng cũng nhƣ chế độ vận hành của hệ thống đạt đƣợc hiệu quả cao nhất.

Trong phạm vi của đề tài chỉ đề cấp đến đối tƣợng nghiên cứu là các nhà máy nhiệt điện đốt than dùng tuabin ngƣng hơi với bình ngƣng kiểu ống có nƣớc làm lạnh đi bên trong. 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VÀ CÁC HỆ THỐNG TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN 1.1 Nguồn cấp Năng lƣợng Việt Nam Hiện nay ở nƣớc ta có 2 nguồn sản xuất điện năng chủ yếu đó là thủy điện và nhiệt điện. Nhiệt điện hiện nay chủ yếu là 3 nguồn: nhiệt điện than, nhiệt điện khí và nhiệt điện dầu. Thời gian gần đây một số dự án sử dụng các nguồn năng lƣợng tái tạo nhƣ gió và mặt trời đƣợc ứng dụng nhiều hơn, góp phần tạo thêm nguồn cung cấp điện năng.

Tổng công suất lắp đặt nguồn điện tính đến ngày 31/12/2010 là 21.250MW, trong đó thuỷ điện chiếm tỷ trọng là 38%, nhiệt điện là 56%, diesel và nguồn điện nhỏ khác là 2% và điện nhập khẩu là 4%. Trong các nguồn cung cấp điện chính thì thủy điện vẫn chiếm tỷ trọng cao, đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu. Năm 2010 tỷ trọng các nguồn điện từ thủy điện vẫn chiếm mức cao nhất trong các nguồn sản xuất. Tuy nhiên trong kế hoạch phát triển nguồn điện theo Quy hoạch điện VII của chính phủ thì tỷ trọng thủy điện sẽ giảm dần trong cơ cấu tổng nguồn điện sản xuất.

Điều đó đƣợc thể hiện khi từ 2006 đến 2010 tỷ trọng các nguồn thủy điện giảm từ 46.63% xuống còn 38%, thay vào đó là sự gia tăng của các nguồn nhiệt điện bao gồm nhiệt điện than và nhiệt điện khí. Theo kế hoạch phát triển nguồn cung điện của EVN thì đến năm 2025 sẽ chú trọng nâng dần tỷ trọng của nhiệt điện than trong cơ cấu, giảm mạnh tỷ trọng của thủy điện và nhiệt điện khí, đáng chú ý hơn là sự xuất hiện và đóng góp đáng kể của các nguồn năng lƣợng mới đó là năng lƣợng nguyên tử và năng lƣợng tái tạo.1: Cơ cấu nguồn điện năm 2010-2020 5 1.2Nhà máy nhiệt điện Trong nhà máy nhiệt điện, cơ năng đƣợc tạo ra bởi động cơ nhiệt. Động cơ nhiệt tạo ra cơ năng bằng nhiệt đƣợc lấy bằng cách đốt nhiên liệu. Cơ năng ở đây đƣợc lƣu trữ dƣới dạng động năng quay của tuabin.

Khoảng 80% các nhà máy điện dùng tuabin hơi nƣớc, tức là dùng sử dụng hơi nƣớc đã đƣợc làm bốc hơi bởi nhiệt để quay tuabin. Theo định luật hai nhiệt động lực học, nhiệt năng không thể chuyển hết thành cơ năng. Do đó luôn có mất mát nhiệt ra môi trƣờng. Lƣợng nhiệt mất mát này có thể đƣợc sử dụng vào các mục đích khác nhƣ sƣởi ấm, khử muối của nƣớc.

Nhiệt điện đốt than ở Việt Nam có vai trò quan trọng trong cơ cấu sản xuất điện năng. Ƣu thế cơ bản của nhiệt điện đốt than là giá than ổn định và có thể cạnh tranh với các nguồn nhiên liệu khác. Ở Việt Nam, than có trữ lƣợng khá lớn với hai loại chủyếu là than antraxit Quảng Ninh và than nâu vùng đồng bằng Bắc Bộ. Hiện nay, than antraxit đang đƣợc khai thác với quy mô lớn và đáp ứng hầu hết nhu cầu trong nƣớc và xuất khẩu.

Nguồn than nâu đƣợc dự báo là có trữ lƣợng rất lớn nhƣng nằm sâu trong lòng đất, khó khai thác. Loại than này chƣa đƣợc khai thác, nhƣng trong tƣơng lai, đây sẽ là nguồn nhiên liệu quan trọng.