Nghiên Cứu Công Nghệ Và Điều Khiển Hệ Thống Nước Làm Mát Turbine Của Nhà Máy Nhiệt Điện

Nghiên cứu công nghệ và điều khiển hệ thống nước làm mát turbine trong nhà máy nhiệt điện nhằm nâng cao hiệu suất và bảo vệ môi trường.

• Tác giả: Nguyễn Thành Chung
• 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 Nước Làm Mát Turbine Tại 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 CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• PHẦN MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do lựa chọn đề tài
• 0.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 0.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.4. Phương pháp nghiên cứu
• 0.5. Bố cục đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN, HỆ THỐNG TUABIN VÀ THIẾT BỊ PHỤ
• 1.1. Tổng quan chung về nhà máy nhiệt điện
• 1.2. Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện
• 1.3. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện
• 1.4. Hệ thống Tuabin hơi và thiết bị phụ
• 1.4.1. Hệ thống nước ngưng
• 1.4.2. Hệ thống nước cấp
• 1.4.3. Hệ thống nước tuần hoàn
• 1.4.4. Hệ thống bình gia nhiệt cao áp - hạ áp
• 1.4.5. Thiết bị khử khí (Bình khử khí)
• 1.4.6. Hệ thống dầu bôi trơn, dầu chèn tua bin
• 1.4.7. Hệ thống dầu thủy lực
• 1.4.8. Hệ thống hơi chèn tua bin, hệ thống hơi tự dùng
• 1.4.8.1. Hệ thống hơi chèn tua bin
• 1.4.8.2. Thiết bị trở trục
• 1.4.8.3. Hệ thống van điều chỉnh, van stop
• 1.5. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG BÌNH NGƯNG VÀ HỆ THỐNG BƠM NƯỚC NGƯNG CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
• 2.1. Hệ thống bình ngưng
• 2.1.1. Giới thiệu chung về bình ngưng
• 2.1.2. Thông số kỹ thuật chính của bình ngưng
• 2.2. Hệ thống bơm nước ngưng
• 2.2.1. Tổng quan hệ thống bơm nước ngưng
• 2.2.2. Đặc tính kỹ thuật
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC TRONG BÌNH NGƯNG - THIẾT KẾ TỐI ƯU BỀN VỮNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TẦNG TRÊN PHẦN MỀM CASCAD
• 3.1. Mô hình hóa các khâu của hệ thống điều chỉnh mức nước bình ngưng, tổng hợp tham số bộ điều chỉnh bằng phương pháp kinh điển
• 3.1.1. Hệ thống điều khiển mức nước bình ngưng
• 3.1.2. Mô tả toán học hệ thống điều khiển mức bình ngưng
• 3.1.2.1. Đặt bài toán
• 3.1.2.2. Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển mức nước bình ngưng nhà máy nhiệt điện
• 3.1.2.3. Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước bình ngưng
• 3.1.2.4. Hàm truyền các thành phần của hệ thống
• 3.1.2.4.1. Đối tượng mức nước bình ngưng
• 3.1.2.4.2. Hàm truyền của hệ thống
• 3.1.2.5. Thiết kế điều khiển mức nước bình ngưng
• 3.2. Tổng hợp tham số bộ điều chỉnh bền vững tối ưu cho mức nước bình ngưng sử dụng phần mềm CASCAD
• 3.2.1. Nội dung ý nghĩa phần mềm CASCAD
• 3.2.2. Thiết kế tối ưu bền vững hệ điều khiển tầng trên phần mềm CASCAD
• 3.2.2.1. Nguyên lý tổ chức của tổ hợp
• 3.2.2.2. Cấu trúc của chương trình
• 3.2.2.3. Những chức năng cơ bản của CASCAD
• 3.2.2.4. Thiết kế hệ thống điều khiển trên cơ sở phần mềm CASCAD
• 3.2.2.4.1. Mô hình hóa đối tượng điều chỉnh
• 3.2.2.4.2. Đăng nhập đối tượng và thiết lập hệ thống
• 3.2.2.4.3. Tính toán thiết kế các bộ điều chỉnh
• 3.2.3. Tổng hợp tham số bộ điều chỉnh bền vững tối ưu cho mức nước bình ngưng sử dụng phần mềm CASCAD
• 3.2.4. Đánh giá chất lượng điều chỉnh
• 3.3. Kết luận Chương 4
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Nước Làm Mát Turbine Nhiệt Điện 55 ký tự

Trong nhà máy nhiệt điện đốt than dùng turbine ngưng hơi, hệ thống nước làm mát turbine nhiệt điện đóng vai trò quan trọng trong chu trình nhiệt. Chức năng chính là thải một lượng nhiệt lớn, khoảng 40-45% lượng nhiệt mà nước nhận được từ lò hơi. Tuy nhiên, việc thải nhiệt phải diễn ra gần với nhiệt độ môi trường. Do đó, hiệu quả thải nhiệt và hiệu quả của chu trình nhà máy nhiệt điện phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ nước làm mát đầu vào bình ngưng và điều kiện truyền nhiệt, điều khiển vận hành trong bình ngưng. Sự thay đổi nhỏ về điều kiện truyền nhiệt ở bình ngưng ảnh hưởng lớn tới hiệu suất chung của quá trình sản xuất điện. Ví dụ, tăng 5°C nhiệt độ nước làm mát có thể làm tăng tiêu hao than của tổ máy lên 2-3%. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu và tối ưu hệ thống làm mát turbine hơi.

1.1. Tầm quan trọng của tuần hoàn nước làm mát trong nhà máy

Theo định luật nhiệt động thứ hai, chu trình sinh công đòi hỏi nhiệt lượng thải ở nhiệt độ thấp. Hiệu suất của chu trình công suất tăng đáng kể khi nhiệt lượng thải ra có nhiệt độ thấp nhất. Các nhà máy nhiệt điện sử dụng hệ thống tuần hoàn nước làm mát để chuyển giao nhiệt lượng phế thải từ chu trình hơi sang môi trường xung quanh. Việc xác định thông số về quy mô hệ thống nước tuần hoàn (hiệu quả chuyển giao nhiệt lượng phế thải) là rất quan trọng. Một bình ngưng hơi của nhà máy nhiệt điện làm ngưng hơi thoát của turbine ở nhiệt độ khả dĩ thấp nhất và áp suất tương ứng để đạt hiệu suất tối đa của chu trình hơi, giảm thiểu nhiệt lượng phế thải loại bỏ vào bể chứa.

1.2. Vai trò của bộ điều chỉnh mức nước trong ống sinh hàn turbine

Bộ điều chỉnh mức nước bình ngưng giữ mức nước trong giếng nước ngưng phía dưới đáy bình ở trạng thái cho phép theo thiết kế. Điều này đảm bảo nước ra khỏi bình ngưng về lò không thay đổi quá nhiều để đảm bảo mực nước không dâng lên bình ngưng làm ngập dàn ống trao đổi nhiệt, làm giảm hiệu suất truyền nhiệt ngưng hơi. Đồng thời mực nước cũng không được quá thấp, tránh gây nguy cơ hỏng bơm nước ngưng và bình ngưng. Bình ngưng thường được đặt hai mức cảnh báo: mức cao quá sẽ làm giảm hiệu suất truyền nhiệt, mức thấp quá ảnh hưởng đến bơm và gây nguy cơ bình ngưng bị áp suất âm.

II. Vấn Đề Thách Thức Trong Công Nghệ Làm Mát Turbine 58 ký tự

Các nhà máy nhiệt điện phải đối mặt với nhiều thách thức trong việc duy trì và tối ưu hiệu suất hệ thống làm mát turbine. Một trong số đó là sự cố và suy giảm hiệu suất do ăn mòn, đóng cặn và các vấn đề liên quan đến chất lượng nước. Các hệ thống điều khiển quá trình chất lượng thấp có thể gây ra nhiều vấn đề, chẳng hạn như tính không thích nghi, tính không bền vững và tín hiệu điều khiển không bị chặn. Việc duy trì nhiệt độ nước làm mát turbine ở mức tối ưu là rất quan trọng, vì sự thay đổi nhỏ có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của nhà máy. Ngoài ra, việc đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của hệ thống là một thách thức liên tục, đòi hỏi các giải pháp điều khiển và bảo trì tiên tiến.

2.1. Ảnh hưởng của cặn bẩn hệ thống làm mát đến hiệu suất

Cặn bẩn tích tụ trong hệ thống làm mát làm giảm khả năng truyền nhiệt, dẫn đến giảm hiệu suất của turbine. Điều này không chỉ làm tăng chi phí vận hành mà còn có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng hơn như quá nhiệt và hỏng hóc thiết bị. Việc kiểm soát và loại bỏ cặn bẩn là một phần quan trọng của bảo trì hệ thống làm mát turbine.

2.2. Kiểm soát ăn mòn hệ thống làm mát chất lượng nước

Ăn mòn hệ thống làm mát là một vấn đề nghiêm trọng khác có thể gây ra rò rỉ và hỏng hóc thiết bị. Việc kiểm soát chất lượng nước, bao gồm độ pH, độ dẫn điện và nồng độ các ion ăn mòn, là rất quan trọng để ngăn ngừa ăn mòn. Các biện pháp bảo vệ ăn mòn như sử dụng chất ức chế ăn mòn và vật liệu chống ăn mòn cũng cần được xem xét.

2.3. Rủi ro vận hành khi điều khiển mực nước bình ngưng không ổn định

Việc điều khiển mực nước bình ngưng không ổn định có thể gây ra nhiều vấn đề vận hành. Mực nước quá cao có thể làm ngập các ống trao đổi nhiệt, làm giảm hiệu suất truyền nhiệt. Mực nước quá thấp có thể gây ra hiện tượng xâm thực trong bơm và làm hỏng thiết bị. Do đó, việc sử dụng một hệ thống điều khiển chính xác và đáng tin cậy là rất quan trọng.

III. Phương Pháp Điều Khiển Tối Ưu Hệ Thống Nước Làm Mát 59 ký tự

Để giải quyết những thách thức nêu trên, cần áp dụng các giải pháp làm mát turbine hiệu quả và hiện đại. Một trong số đó là sử dụng bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) để điều khiển mức nước trong bình ngưng. Bên cạnh đó, việc áp dụng các phần mềm mô phỏng như CASCAD để thiết kế và tối ưu hóa bộ điều khiển PID là một phương pháp tiếp cận hiệu quả. Ngoài ra, việc xử lý nước làm mát turbine để ngăn ngừa ăn mòn và đóng cặn cũng rất quan trọng. Mục tiêu cuối cùng là đảm bảo hiệu suất hệ thống làm mát turbine tối ưu, đồng thời giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì.

3.1. Ứng dụng bộ điều khiển PID trong điều khiển hệ thống làm mát turbine

Bộ điều khiển PID là một công cụ mạnh mẽ để điều khiển mức nước trong bình ngưng. Nó sử dụng ba thành phần: tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D) để điều chỉnh lưu lượng nước vào hoặc ra khỏi bình ngưng, duy trì mức nước mong muốn. Việc điều chỉnh các tham số PID một cách chính xác là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Cần nghiên cứu đặc tính động của mực nước bình ngưng theo lưu lượng nước để có cơ sở thiết kế bộ điều khiển.

3.2. Tối ưu hóa hệ thống làm mát turbine sử dụng phần mềm CASCAD

Phần mềm CASCAD có thể được sử dụng để mô phỏng và tối ưu hóa hệ thống điều khiển mức nước trong bình ngưng. Phần mềm này cho phép người dùng thử nghiệm các tham số PID khác nhau và đánh giá hiệu suất của hệ thống trước khi triển khai thực tế. Điều này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời đảm bảo hệ thống hoạt động tối ưu.

3.3. Quy trình vận hành hệ thống làm mát turbine hiệu quả

Một quy trình vận hành hệ thống làm mát turbine hiệu quả cần bao gồm các bước kiểm tra và bảo trì định kỳ, theo dõi các thông số quan trọng như nhiệt độ và áp suất nước, và thực hiện các biện pháp phòng ngừa ăn mòn và đóng cặn. Việc đào tạo nhân viên vận hành về quy trình này là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và hiệu quả.

IV. Ứng Dụng Nghiên Cứu Phân Tích Hiệu Suất Hệ Thống 52 ký tự

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích hiệu suất hệ thống làm mát turbine tại một nhà máy nhiệt điện cụ thể. Mục tiêu là đánh giá hiệu quả của các giải pháp điều khiển và tối ưu hóa đã được áp dụng, đồng thời xác định các cơ hội để cải thiện hiệu suất hơn nữa. Nghiên cứu này bao gồm việc thu thập và phân tích dữ liệu vận hành, mô phỏng hệ thống và đánh giá các giải pháp điều khiển khác nhau. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin hữu ích cho các nhà máy nhiệt điện khác muốn cải thiện hiệu suất hệ thống làm mát của họ.

4.1. Đánh giá năng lượng tiêu thụ hệ thống làm mát turbine

Một phần quan trọng của nghiên cứu là đánh giá năng lượng tiêu thụ hệ thống làm mát turbine. Điều này bao gồm việc đo lường và phân tích năng lượng tiêu thụ của các bơm, quạt và các thiết bị khác trong hệ thống. Mục tiêu là xác định các khu vực tiêu thụ năng lượng lớn và tìm kiếm các giải pháp để giảm thiểu năng lượng tiêu thụ hệ thống làm mát.

4.2. Sơ đồ hệ thống làm mát turbine và phân tích dòng chảy

Việc xây dựng sơ đồ hệ thống làm mát turbine chi tiết và phân tích dòng chảy nước là rất quan trọng để hiểu rõ hoạt động của hệ thống. Phân tích dòng chảy giúp xác định các khu vực có áp suất thấp, dòng chảy chậm hoặc các vấn đề khác có thể ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt. Dựa vào đó, các giải pháp cải thiện dòng chảy có thể được áp dụng.

4.3. Dữ liệu thực nghiệm đối tượng mức nước bình ngưng và đánh giá

Để đánh giá khách quan, việc thu thập dữ liệu thực nghiệm đối tượng mức nước bình ngưng là cần thiết. Các dữ liệu về đặc tính quá độ của mực nước bình ngưng được sử dụng để xác thực mô hình và đánh giá chất lượng điều khiển thực tế. So sánh giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm giúp hoàn thiện hệ thống điều khiển.

V. Kết Luận Hướng Tới Hệ Thống Làm Mát Turbine Bền Vững 60 ký tự

Nghiên cứu về hệ thống nước làm mát turbine nhiệt điện tại nhà máy nhiệt điện cho thấy tầm quan trọng của việc áp dụng các giải pháp điều khiển và tối ưu hóa hiệu quả. Việc sử dụng bộ điều khiển PID kết hợp với phần mềm mô phỏng như CASCAD là một phương pháp tiếp cận đầy hứa hẹn. Đồng thời, việc kiểm soát chất lượng nước và thực hiện các biện pháp phòng ngừa ăn mòn và đóng cặn cũng rất quan trọng. Trong tương lai, các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các hệ thống làm mát turbine thông minh hơn, sử dụng các công nghệ như trí tuệ nhân tạo và học máy để tự động điều chỉnh và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống.

5.1. Tầm quan trọng của bảo trì hệ thống làm mát turbine định kỳ

Việc bảo trì hệ thống làm mát turbine định kỳ là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả trong thời gian dài. Bảo trì định kỳ bao gồm các bước kiểm tra, làm sạch, sửa chữa và thay thế các bộ phận hư hỏng. Một chương trình bảo trì tốt sẽ giúp giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và kéo dài tuổi thọ của hệ thống.

5.2. Ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển hệ thống làm mát

Trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (ML) có thể được sử dụng để điều khiển hệ thống làm mát một cách thông minh hơn. Các thuật toán AI/ML có thể phân tích dữ liệu vận hành và dự đoán các vấn đề tiềm ẩn trước khi chúng xảy ra. AI/ML cũng có thể được sử dụng để tự động điều chỉnh các tham số điều khiển và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhà máy nhiệt điện đốt than đóng vai trò chủ đạo trong cơ cấu sản xuất điện năng công nghiệp tại Việt Nam, với công suất tổ máy phổ biến từ 300 MW đến 1000 MW và hiệu suất phát điện dự kiến đạt 50-53% vào năm 2020. Trong chu trình nhiệt của nhà máy, hệ thống nước làm mát tuần hoàn bình ngưng giữ vai trò then chốt, chịu trách nhiệm thải khoảng 40-45% lượng nhiệt thu nhận từ lò hơi. Hiệu quả truyền nhiệt và điều khiển vận hành bình ngưng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất chung của tổ máy, đặc biệt là nhiệt độ nước làm mát đầu vào bình ngưng. Một sự thay đổi nhỏ về nhiệt độ nước tuần hoàn có thể làm tăng tiêu hao than lên 2-3%, gây ảnh hưởng lớn đến chi phí vận hành và hiệu quả kinh tế.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào thiết kế và tối ưu bộ điều khiển mức nước trong bình ngưng nhằm đảm bảo vận hành ổn định, hiệu quả truyền nhiệt cao, từ đó nâng cao hiệu suất chu trình nhiệt của nhà máy nhiệt điện. Phạm vi nghiên cứu bao gồm hệ thống bình ngưng và bơm nước ngưng tại nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1, sử dụng phần mềm CASCAD để mô hình hóa và tối ưu bộ điều khiển PID cho hệ thống điều khiển mức nước bình ngưng. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm tiêu hao nhiên liệu, tăng tuổi thọ thiết bị và đảm bảo an toàn vận hành trong các điều kiện tải khác nhau của tổ máy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết chu trình nhiệt Carnot: Hiệu suất nhiệt của chu trình được xác định bởi nhiệt độ tuyệt đối của nguồn nhiệt cao và bể nhiệt thấp, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc giảm nhiệt độ thải trong bình ngưng để nâng cao hiệu suất tổ máy.

• Lý thuyết điều khiển tự động PID: Bộ điều khiển PID kinh điển được áp dụng để điều chỉnh mức nước trong bình ngưng, đảm bảo duy trì mức nước ổn định trong phạm vi thiết kế nhằm tránh ngập ống trao đổi nhiệt hoặc hỏng bơm nước ngưng.

• Mô hình hóa hệ thống điều khiển mức nước bình ngưng: Mô hình toán học bao gồm hàm truyền các thành phần của hệ thống, mô tả quá trình điều khiển mức nước trong giếng nước ngưng, giúp phân tích và thiết kế bộ điều khiển tối ưu.

Các khái niệm chính bao gồm: mức nước bình ngưng, chân không bình ngưng, hệ thống nước tuần hoàn, bộ điều khiển PID, và phần mềm CASCAD.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và mô phỏng thực nghiệm với các bước chính:

• Thu thập và phân tích sơ đồ nguyên lý, cấu tạo hệ thống nước làm mát tuabin tuần hoàn, đặc biệt là bình ngưng và bơm nước ngưng.

• Nghiên cứu lý thuyết điều khiển mức nước ngưng trong bình ngưng, xác định các thông số và đặc tính kỹ thuật cần thiết.

• Sử dụng phần mềm CASCAD để mô hình hóa, thiết kế và tính toán tối ưu bộ điều khiển PID cho hệ thống điều khiển mức nước bình ngưng.

• Cỡ mẫu nghiên cứu là hệ thống bình ngưng và bơm nước ngưng của nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1, với dữ liệu vận hành thực tế và thông số kỹ thuật chi tiết.

• Phương pháp chọn mẫu dựa trên đặc tính kỹ thuật và vận hành thực tế của hệ thống, đảm bảo tính đại diện và khả năng áp dụng rộng rãi.

• Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2017-2018, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, mô hình hóa, thiết kế điều khiển và đánh giá kết quả mô phỏng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của mức nước bình ngưng đến hiệu suất truyền nhiệt: Mức nước bình ngưng được duy trì trong phạm vi thiết kế giúp tránh ngập dàn ống trao đổi nhiệt, đảm bảo hiệu suất truyền nhiệt đạt khoảng 90% so với điều kiện lý tưởng. Mức nước quá cao làm giảm hiệu quả truyền nhiệt do ngăn cản hơi ngưng tụ tiếp xúc với ống, trong khi mức nước quá thấp gây nguy cơ hỏng bơm nước ngưng.

2. Tối ưu bộ điều khiển PID bằng phần mềm CASCAD: Việc sử dụng CASCAD cho phép tính toán tham số bộ điều khiển PID bền vững tối ưu, giảm sai số điều khiển mức nước xuống dưới 5%, cải thiện độ ổn định hệ thống so với bộ điều khiển kinh điển chưa tối ưu.

3. Hiệu quả vận hành hệ thống bơm nước ngưng: Hệ thống bơm nước ngưng với công suất 1608 m³/h và áp suất làm việc 3,76 MPa được điều khiển hiệu quả, đảm bảo lưu lượng nước tuần hoàn ổn định, giảm thiểu hiện tượng xung động và búa nước trong đường ống.

4. Ảnh hưởng của chân không bình ngưng: Chân không bình ngưng duy trì ở mức 0,0589 bara giúp tăng hiệu suất giãn nở hơi trong tuabin, giảm nhiệt độ đuôi tuabin và ngăn ngừa hiện tượng nóng gối đỡ, góp phần nâng cao tuổi thọ thiết bị.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc điều khiển mức nước bình ngưng chính xác và ổn định là yếu tố quyết định hiệu quả truyền nhiệt và hiệu suất tổng thể của nhà máy nhiệt điện. So với các nghiên cứu trước đây, việc ứng dụng phần mềm CASCAD để tối ưu bộ điều khiển PID mang lại sự cải tiến rõ rệt về độ ổn định và khả năng thích nghi với các điều kiện tải khác nhau.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đặc tính quá độ của mức nước bình ngưng, biểu đồ sai số điều khiển theo thời gian và bảng so sánh hiệu suất truyền nhiệt trước và sau khi tối ưu bộ điều khiển. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng sự ổn định và hiệu quả của hệ thống điều khiển được thiết kế.

Ngoài ra, việc duy trì chân không bình ngưng ở mức thấp giúp giảm áp suất hơi thoát tuabin, phù hợp với lý thuyết chu trình Carnot về nâng cao hiệu suất nhiệt. Điều này cũng đồng nghĩa với việc giảm tiêu hao than lên đến 2-3% khi nhiệt độ nước làm mát tăng, khẳng định tầm quan trọng của hệ thống điều khiển nước làm mát tuần hoàn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai áp dụng bộ điều khiển PID tối ưu trên phần mềm CASCAD cho hệ thống điều khiển mức nước bình ngưng nhằm nâng cao độ ổn định và hiệu quả truyền nhiệt, giảm sai số điều khiển xuống dưới 5%. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do phòng kỹ thuật vận hành nhà máy thực hiện.

2. Tăng cường bảo trì và làm sạch hệ thống ống trao đổi nhiệt bình ngưng bằng hệ thống rửa ống tự động để duy trì hệ số làm sạch trên 90%, đảm bảo hiệu suất trao đổi nhiệt và tuổi thọ thiết bị. Lịch bảo trì định kỳ 3 tháng/lần, do đội ngũ bảo trì kỹ thuật chịu trách nhiệm.

3. Giám sát và duy trì chân không bình ngưng ở mức tối ưu (khoảng 0,0589 bara) để đảm bảo hiệu suất giãn nở hơi trong tuabin, giảm thiểu hiện tượng nóng gối đỡ và biến dạng thiết bị. Thực hiện liên tục trong quá trình vận hành, do phòng điều khiển trung tâm theo dõi.

4. Đào tạo nhân viên vận hành về nguyên lý và kỹ thuật điều khiển mức nước bình ngưng nhằm nâng cao nhận thức và kỹ năng vận hành hệ thống điều khiển tự động, giảm thiểu sai sót và sự cố. Chương trình đào tạo tổ chức hàng năm, do phòng nhân sự phối hợp với chuyên gia kỹ thuật thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư vận hành nhà máy nhiệt điện: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về hệ thống nước làm mát tuabin, điều khiển mức nước bình ngưng, giúp vận hành hiệu quả và an toàn thiết bị.

2. Chuyên gia thiết kế hệ thống điều khiển tự động: Áp dụng mô hình hóa và tối ưu bộ điều khiển PID bằng phần mềm CASCAD cho các hệ thống điều khiển công nghiệp tương tự.

3. Nhà quản lý kỹ thuật và bảo trì: Hiểu rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các thông số kỹ thuật của bình ngưng và bơm nước ngưng để xây dựng kế hoạch bảo trì, nâng cao tuổi thọ thiết bị.

4. Nghiên cứu sinh và sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình hóa và ứng dụng phần mềm trong thiết kế hệ thống điều khiển, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu và luận văn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao việc điều khiển mức nước bình ngưng lại quan trọng?
   Mức nước bình ngưng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất truyền nhiệt và an toàn vận hành. Mức nước quá cao làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt, quá thấp gây nguy cơ hỏng bơm và thiết bị. Ví dụ, mức nước không ổn định có thể làm tăng tiêu hao than lên 2-3%.

2. Phần mềm CASCAD có vai trò gì trong nghiên cứu này?
   CASCAD được sử dụng để mô hình hóa và tối ưu bộ điều khiển PID, giúp giảm sai số điều khiển xuống dưới 5% và tăng độ ổn định hệ thống so với bộ điều khiển kinh điển chưa tối ưu.

3. Chân không bình ngưng ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất tổ máy?
   Chân không thấp giúp tăng hiệu suất giãn nở hơi trong tuabin, giảm nhiệt độ đuôi tuabin và ngăn ngừa hiện tượng nóng gối đỡ, từ đó nâng cao tuổi thọ thiết bị và hiệu quả sản xuất điện.

4. Hệ thống rửa ống trao đổi nhiệt bình ngưng có tác dụng gì?
   Hệ thống này làm sạch bề mặt ống titan, tăng hiệu suất trao đổi nhiệt, giảm áp suất thoát tuabin và kéo dài tuổi thọ thiết bị, đồng thời tiết kiệm chi phí hóa chất xử lý nước.

5. Làm thế nào để duy trì mức nước bình ngưng ổn định trong vận hành thực tế?
   Sử dụng bộ điều khiển PID tối ưu, kết hợp với hệ thống cảm biến mức nước chính xác và van điều khiển tự động, đồng thời giám sát liên tục và bảo trì định kỳ hệ thống để đảm bảo vận hành ổn định.

Kết luận

• Nghiên cứu đã làm rõ vai trò quan trọng của hệ thống nước làm mát tuần hoàn bình ngưng trong nâng cao hiệu suất và an toàn vận hành nhà máy nhiệt điện.
• Thiết kế và tối ưu bộ điều khiển PID bằng phần mềm CASCAD giúp cải thiện độ ổn định và hiệu quả điều khiển mức nước bình ngưng.
• Duy trì chân không bình ngưng ở mức thấp và mức nước ổn định góp phần giảm tiêu hao nhiên liệu và tăng tuổi thọ thiết bị.
• Các giải pháp đề xuất bao gồm áp dụng bộ điều khiển tối ưu, bảo trì hệ thống trao đổi nhiệt, giám sát chân không và đào tạo nhân viên vận hành.
• Tiếp theo, cần triển khai thực nghiệm tại nhà máy, đánh giá hiệu quả thực tế và mở rộng nghiên cứu cho các hệ thống tương tự nhằm nâng cao hiệu quả vận hành toàn ngành nhiệt điện.

Hành động ngay: Các nhà quản lý và kỹ sư vận hành nên xem xét áp dụng các giải pháp điều khiển và bảo trì được đề xuất để tối ưu hóa hiệu suất nhà máy nhiệt điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Trong nhà máy nhiệt điện đốt than dùng tuabin ngƣng hơi, hệ thống nƣớc làm mát tuần hoàn bình ngƣng làm nhiệm vụ rất quan trọng trong chu trình nhiệt. Nó giúp thải một nhiệt lƣợng rất lớn (khoảng 40 - 45%) lƣợng nhiệt mà nƣớc nhận đƣợc từ lò hơi.Tuy nhiệt lƣợng phải thải đi là lớn nhƣng lại phải diễn ra ở điều kiện nhiệt độ thải nhiệt gần với nhiệt độ môi trƣờng.Chính vì vậy mà hiệu quả thải nhiệt của nó và do đó hiệu quả của chu trình nhà máy nhiệt điện bị phụ thuộc rất mạnh và nhậy cảm vào những yếu tố nhiệt độ nƣớc làm mát đầu vào bình ngƣng và điều kiện truyền nhiệt, điều khiển vận hành trong bình ngƣng. Lý thuyết chu trình nhiệt và cả thực tế vận hành ở các nhà máy nhiệt điện đã chứng minh rất rõ một điều là chỉ cần một sự thay đổi nhỏ về điều kiện truyền nhiệt ở bình ngƣng đã ảnh hƣởng rất lớn tới hiệu suất chung của quá trình sản xuất điện, không giống nhƣ đối với thông số hơi mới ở đầu vào tuabin.

Sự thay đổi tăng lên về  nhiệt độ nƣớc làm mát (nƣớc tuần hoàn) vào bình ngƣng khoảng  lại làm tăng tiêu hao than của tổ máy lên khoảng 2 - 3%. Do đó sự ảnh hƣởng của nhiệt độ nƣớc tuần hoàn vào làm mát bình ngƣng rất lớn tới hiệu suất của tổ máy và do đó ảnh hƣởng lớn tới tiêu thụ than cho tổ máy nhiệt điện. Theo định luật nhiệt động thứ hai, sự thao tác của chu trình sinh công đòi hỏi nhiệt lƣợng thải phải ở nhiệt độ thấp của chu trình. Hiệu suất của chu trình công suất sẽ đƣợc tăng đáng kể khi nhiệt lƣợng thải ra có nhiệt độ thấp nhất.

Điều này đƣợc chứng minh rõ ràng trong chu trình Carnot đối với chất lỏng 2 pha nhƣ hình vẽ dƣới đây: 1 Hiệu suất nhiệt của chu trình công suất đƣợc xác định nhƣ sau:    Đối với chu trình Carnot, hiệu suất nhiệt đƣợc xác định bằng phƣơng trình sau:       (1)  Trong đó:  : Nhiệt độ tuyệt đối của nguồn nhiệt lƣợng nhiệt độ cao  T 1: Nhiệt độ tuyệt đối của bể nhiệt lƣợng nhiệt độ thấp Phƣơng trình (1) cho thấy chu trình Carnot có hiệu suất cao khi tăng Th hoặc giảm nhiệt độ T 1. Các nhà máy nhiệt điện đó sử dụng hệ thống nƣớc tuần hoàn nhƣ một cơ chế động lực trong đó nhiệt lƣợng phế thải của chu trình hơi đƣợc chuyển giao từ chu trình hơi sang môi trƣờng xung quanh (trên hình vẽ: bể chứa nhiệt lƣợng nhiệt độ thấp). Nhiều yếu tố quyết định quy mô và thiết kế các hệ thống nƣớc tuần hoàn của nhà máy nhiệt điện.Điều quan trọng bậc nhất là xác định thông số về quy mô hệ thống nƣớc tuần hoàn (nhiệt lƣợng phế thải đƣợc chuyển giao hiệu quả ra sao tới bể 2 chứa nhiệt lƣợng nhiệt độ thấp). Một bình ngƣng hơi của nhà máy nhiệt điện làm ngƣng hơi thoát của tuabin ở nhiệt độ khả dĩ thấp nhất và áp suất tƣơng ứng đạt đƣợc hiệu suất tối đa của chu trình hơi, giảm thiểu nhiệt lƣợng phế thải loại bỏ vào bể chứa.

Khi nhiệt độ và áp suất hơi thoát của tuabin giảm thấp, hiệu suất của chu trình hơi tăng lên. Tuy nhiên việc thiết kế một hệ thống nƣớc tuần hoàn hiệu quả cao hơn để đạt nhiệt độ và áp suất thấp hơn trong bình ngƣng sẽ dẫn tới làm tăng các chi phí đầu tƣ và vận hành. Bộ điều chỉnh mức nƣớc bình ngƣng giữ mức nƣớc trong giếng nƣớc ngƣng phía dƣới đáy bình ở trạng thái trong phạm vi cho phép theo thiết kế. Để đảm bảo cho nƣớc ra khỏi bình ngƣng về lò không thay đổi quá nhiều để đảm bảo mực nƣớc không dâng lên bình ngƣng làm ngập dàn ống trao đổi nhiệt với hơi ngƣng đi từ tua bin thấp áp xuống làm giảm hiệu suất truyền nhiệt ngƣng hơi đồng thời mực nƣớc cũng không thấp quá làm nguy cơ hỏng bơm nƣớc ngƣng và bình ngƣng.

Để đảm bảo cho bình ngƣng hoạt động bình thƣờng không ảnh hƣởng bởi nƣớc ngƣng tồn ứ quá nhiều hay quá thấp ta đặt bộ điều chỉnh để điều chỉnh mức nƣớc trong giếng thu nƣớc ngƣng trong bình ngƣng.Thƣờng đƣợc đặt bộ điều chỉnh thực hiện quy luật tỷ lệ. Bình ngƣng đặt 2 mức: Trƣờng hợp cao quá sẽ làm giảm hiệu suất truyền nhiệt bình ngƣng vì nƣớc ngƣng dâng lên choán không gian trao đổi nhiệthơi ngƣng thấp áp đi từ tầng thấp áp xuống bình ngƣng trao đổi nhiệt với nƣớc làm mát trong dàn ống bên trong bình ngƣng Trƣờng hợp mức nƣớc thấp quá khi đó ảnh hƣởng đến bơm nƣớc ngƣng và nguy cơ bình ngƣng bị áp suất âm làm móc bình ngƣng. Mục tiêu nghiên cứu Vấn đề quan trọng của các hệ thống điều khiển quá trình là bộ điều khiển.Với các bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển quá trình có chất lƣợng thấp nhƣ không thích nghi, không bền vững, tín hiệu điều khiển không bị chặn. Ở bình ngƣng có một bộ báo mức nƣớc riêng, tác động khi mức nƣớc đầy đến mức nƣớc đọng thứ nhất, sẽ đƣa tín hiệu đến bảng điều khiển, tín hiệu mức của bình ngƣng khi cao hơn mức cài đặt đều cho xung tín hiệu đển bộ bảo vệ tác động.

Bộ bảo vệ sẽ mở to dần van điều chỉnh lƣu lƣợng xả nƣớc ngƣng về bồn chứa nƣớc ngƣng 3 Khi mức nƣớc tăng tiếp trong một bình nào đó đến mức nƣớc giới hạn thứ hai, bộ bảo vệ tác động mở hoàn toàn 100% van xả nƣớc ngƣng về bồn chứa nƣớc ngƣng. Ngƣợc lại, khi mực nƣớc ngƣng trong bình ngƣng ở mức nƣớc thấp thứ nhất, tín hiệu mức của bình ngƣng thấp hơn mức thiết lập sẽ cho xung tín hiệu đến bộ bảo vệ tác động mở to dần van cung cấp nƣớc ngƣng cho bình ngƣng từ bồn chứa nƣớc ngƣng. Nhƣng nếu mức nƣớc ở mức thấp nhất, thấp hơn mức thiết lập thấp thứ hai thì tín hiệu sẽ cho xung tín hiệu đến bộ bảo vệ tác động ngừng bơm nƣớc ngƣng. Việc đƣa ra phƣơng pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho một hệ thống điều khiển quá trình, cụ thể là điều khiển mức nƣớc ngƣng trong bình ngƣng, đảm bảo khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm việc, mọi chế độ tải của lò hơi, tua bin đòi hỏi các nhà khoa học không ngừng phát triển nghiên cứu.

Vì vậy đề tài tập trung vào việc nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID, sử dụng phần mềm CASCAD để thiết kế, tính toán tối ƣu bộ điều khiển PID cho hệ thống điều khiển mức nƣớc ngƣng trong bình ngƣng nhằm đảm bảo bảo hệ thống nƣớc ngƣng (bình ngƣng) vận hành ổn định, hiệu quả thải nhiệt của tua bin, bình ngƣng và do đó hiệu quả của chu trình nhà máy nhiệt điện trong khi nó bị phụ thuộc rất mạnh và nhậy cảm vào những yếu tố nhiệt độ, lƣu lƣợng nƣớc làm mát tuần hoàn và điều kiện truyền nhiệt trong bình ngƣng. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu bình ngƣng và hệ thống bơm nƣớc ngƣng - Hệ thống điều khiển mức nƣớc, các phần tử trong hệ thống điều khiển mức nƣớc ngƣng trong bình ngƣng - Phƣơng pháp điều khiển mức nƣớc ngƣng trong bình ngƣng - Mô hình hóa các đối tƣợng của hệ thống điều khiển mức nƣớc ngƣng trong bình ngƣng, thiết kế hệ thống điều khiển mức nƣớc trong bình ngƣng bằng bộ điều khiển PID kinh điển - Sử dụng phần mềm CASCAD thiết kế, tính toán tối ƣu hệ thống điều khiển mức nƣớc ngƣng trong bình ngƣng. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô phỏng dùng phần mềm CASCAD. Gồm các bƣớc nhƣ sau : - Tìm hiểu sơ đồ nguyên lý, cấu tạo hệ thống nƣớc làm mát tua bin tuần hoàn (hệ thống bình ngƣng và bơm nƣớc ngƣng) có bao gồm nghiên cứu trao đổi nhiệt bình ngƣng.

- Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển mức nƣớc ngƣng trong bình ngƣng. - Nghiên cứu ứng dụng và sử dụng phần mềm CASCAD để thiết kế, tính toán tối ƣu, bền vững bộ điều khiển mức nƣớc ngƣng trong bình ngƣng. Bố cục đề tài Luận văn gồm các phần chính sau đây: Chƣơng 1. Tổng quan về nhà máy nhiệt điện, hệ thống Tuabin và thiêt bị phụ Chƣơng 2: Hệ thống bình ngƣng và hệ thống bơm nƣớc ngƣng của nhà máy nhiệt điện.

Chƣơng 3: Nghiên cứu hệ thống điều khiển mức nƣớc trong bình ngƣng-Thiết tối ƣu bền vững hệ điều khiển tầng trên phần mềm CASCAD. Chƣơng 4: Sử dụng phần mềm CASCAD thiết kế, tính toán tối ƣu bộ điều chỉnh mức nƣớc bình ngƣng nhà máy nhiệt điện. Tổng quan tài liệu nghiên cứu Tài liệu nghiên cứu đƣợc tham khảo là những tài liệu giáo trình về nhà máy nhiệt điện và Lý thuyết điều chỉnh tự động quá trình nhiệt của trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội, và tài liệu kỹ thuật của nhà máy nhiệt điện Vũng Áng 1, Thái Bình 2. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN,HỆ THỐNG TUABIN VÀ THIẾT BỊ PHỤ 1.

Tổng quan chung về nhà máy nhiệt điện Nhà máy điện là nhà máy sản xuất điện năng ởquy mô công nghiệp. Bộ phận chính yếu của hầu hết các nhà máy điện là máy phát điện. Đó là thiết bịbiến đổi cơ năng thành điện năng thông thƣờng sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ. Tuy nhiên nguồn năng lƣợng để chạy các máy phát điện này lại không giống nhau.

Nó phụthuộc phần lớn vào loại chất đốt và công nghệ mà nhà máy có thể tiếp cận đƣợc. 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 sửdụng hơi nƣớc đã đƣợc làm bốc hơi bởi nhiệt để quay tuabin.

Theo định luật hai nhiệt động lực học, nhiệt năng không thểchuyển 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.