Điều khiển mức nước bao hơi và những yếu tố ảnh hưởng tới mức nước bao hơi

TS. Vũ Duy Thuận, Khoa Công nghệ năng lượng.

Trong nhà máy nhiệt điện, lò hơi là trái tim, là khu vực quan trọng nhất của nhà máy. Đối với các lò hơi có bao hơi (lò hơi làm việc ở áp suất dưới tới hạn), mức nước trong bao hơi là một thông số rất quan trọng, cần được giám sát và điều khiển.

Hệ thống điều khiển mức nước bao hơi có  nhiệm vụ đảm bảo sự cân bằng giữa lượng nước cấp vào lò và lượng hơi sinh ra đưa vào hệ thống tuabin, đảm bảo mức nước bao hơi luôn ở vị trí ổn định.

Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động của bao hơi, sự cân bằng về vật chất giữa lưu lượng hơi ra khỏi bao hơi và lưu lượng nước cấp vào bị thay đổi do rất nhiều nguyên nhân. Có thể kể đến những nguyên như sau: sự thay đổi lưu lượng hơi vào Tuabin, nước cấp vào lò, áp suất bao hơi, nhiệt sinh ra trong buồng lửa do nhiên liệu thay đổi về chất cũng như lượng, v.v…

Chính vì nhiều yếu tố tác động đến bao hơi như vậy nên việc điều khiển trong hệ thống này cũng không hề đơn giản. Người ta có nhiều phương pháp để điều khiển mức nước bao hơi, như điều khiển 1 phần tử, điều khiển 3 phần tử.

Điều khiển 1 phần tử thì tín hiệu điều khiển ở đây là mức nước trong bao hơi. Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển được đưa tới hệ thống van đóng mở nước cấp. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển 1 phần tử:

BH – bao hơi; BQN - bộ quá nhiệt; BĐC - bộ điều chỉnh;

BHN - bộ hâm nước; H: mức nước bao hơi.

Hình 1. Sơ đồ điều khiển mức nước bao hơi 1 phần tử.

Điều khiển 3 phần tử thì tín hiệu điều khiển bao gồm: mức nước bao hơi, lượng hơi ra khỏi bao hơi, lượng nước cấp vào bao hơi.

W: nước cấp vào bao hơi.       D: lưu lượng hơi ra khỏi bao hơi.

Hình 2. Sơ đồ điều khiển mức nước bao hơi 3 phần tử.

Với hệ thống điều khiển ba phần tử thì có chất lượng cao, chính xác trong quá trình điều khiển. Bộ điều khiển được hiệu chỉnh sao cho khi lưu lượng nước cấp và lưu lượng hơi ra khỏi lò thay đổi một lượng như nhau thì van điều chỉnh thay đổi một lượng cũng như nhau nhưng ngược chiều nhau. Điều này dẫn tới sự thay đổi lưu lượng hơi sẽ dẫn đến sự thay đổi tương ứng một lượng nước cấp và mức nước bao hơi sẽ không thay đổi cho tới khi quá trình điều khiển kết thúc, trong trạng thái ổn định bộ điều chỉnh sẽ giữ mức nước không thay đổi và không phụ thuộc vào phụ tải hơi của lò.

Từ đó có thể thấy, mức nước tăng hoặc giảm quá giá trị đặt sẽ ảnh hưởng đến bao hơi. Ví dụ khi mức nước bao hơi tăng quá mức đặt, thì chất lượng hơi bị ảnh hưởng bởi vì khi đó quá trình phân ly hơi trong bao hơi sẽ thay đổi, các giọt ẩm sẽ theo hơi đi sang bộ quá nhiệt, gây nguy hiểm (có thể gây nổ bộ quá nhiệt hoặc có thể làm hỏng tầng cánh tuabin). Còn khi mức nước bao hơi thấp hơn giá trị đặt sẽ làm mất sự tuần hoàn tự nhiên của nước trong hệ thống, trong khi lượng nhiệt sinh ra trong buồng đốt vẫn không đổi nên có thể làm biến dạng hoặc phình nổ các ống sinh hơi.

Chính vì vậy, hệ thống điều khiển này có nhiệm vụ đảm bảo mức nước bao hơi thay đổi trong một giới hạn cho phép để nhà máy nhiệt điện hoạt động an toàn và hiệu quả.

Các yếu tố ảnh hưởng tới bộ điều khiển mức nước bao hơi

Việc thay đổi mức nước trong bao hơi là một quá trình rất phức tạp. Việc thay đổi mức nước này làm cân bằng vật chất bị phá vỡ (lưu lượng hơi ra khỏi lò, lưu lượng nước cấp vào lò… bị thay đổi) mà còn dẫn tới sự thay đổi áp suất trong bao hơi, ảnh hưởng của hiện tượng sôi bồng… Những ảnh hưởng này lại có tác động qua lại và làm cho quá trình điều khiển mức nước càng trở nên khó khăn.

- Khi lưu lượng nước cấp vào bao hơi thay đổi nhưng vẫn không thay đổi lượng nhiệt sinh ra trong buồng đốt thì lưu lượng hơi ra khỏi bao hơi cùng các thông số hơi không thay đổi. lúc này chỉ có mức nước trong bao hơi bị biến đổi do lượng nước cấp không thay đổi kịp. Khi lưu lượng nước cấp vào bao hơi tăng thì mức nước trong bao hơi tăng và ngược lại, khi lưu lượng nước cấp vào bao hơi giảm thì mức nước trong bao hơi giảm. Có thể thấy đây là quan hệ tuyến tính, nhưng trong thực tế đây lại là khâu tích phân có trễ. Lý do, đối tượng nhiệt là khâu quán tính, ngoài ra do ảnh hưởng của chiều dài đường ống từ van điều chỉnh tới bao hơi nên bị chậm trễ một khoảng thời gian T nào đó.

- Sự thay đổi lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa trong khi lưu lượng nước cấp vào bao hơi không thay đổi cũng làm thay đổi mức nước trong bao hơi. Ví dụ khi lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa tăng lên, mức nước trong bao hơi cũng tăng theo, lý do là khi lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa tăng, áp suất bao hơi vẫn không thay đổi tương ứng, nhiệt độ bão hoà của nước không thay đổi dẫn đến lượng hơi sinh ra trong bao hơi tăng, gây nên hiện tượng sôi bồng.

- Khi áp suất thay đổi thì mức nước bao hơi cũng thay đổi theo, mối quan hệ giữa áp suất và mức nước là mối quan hệ ngược theo công thức: (áp suất.thể tích/nhiệt độ bằng hằng số) . Áp suất bao hơi tăng lên thì mức nước bao hơi giảm, vì khi áp suất bao hơi tăng thì đồng thời nhiệt độ nước bão hoà trong lò tăng theo, trong khi đó nhiệt lượng sinh ra trong buồng lửa vẫn không thay đổi dẫn đến lượng hơi sinh ra trong hệ thống giảm, điều này dẫn đến mức nước trong bao hơi sẽ giảm. Còn khi áp suất bao hơi giảm thì hiện tượng xảy ra nguợc lại làm cho mức nước bao hơi tăng lên. Khi áp suất thay đổi thì không những bản thân nó làm thay đổi mức nước, mà nó còn gây ra hiện tượng sôi bồng làm thay đổi mức nước.

- Ảnh hưởng của sự thay đổi lưu lượng hơi ra khỏi bao hơi: Khi lượng hơi ra khỏi lò bị thay đổi, tốc độ quy dẫn của hơi và tốc độ tuần hoàn trong vòng tuần hoàn sẽ thay đổi dẫn đến ảnh hưởng tới chế độ tuần hoàn của môi chất trong hệ thống lò. Khi tăng đột ngột sản lượng hơi ra khỏi lò, áp suất bao hơi sẽ giảm, điều này dẫn đến xảy ra hiện tượng sôi bồng làm tăng mức nước bao hơi.

Như vậy có thể thấy, việc điều khiển mức nước bao hơi ổn định liên quan tới rất nhiều thông số xung quanh. Việc điều khiển đảm bảo nhanh chóng, đạt chất lượng còn phụ thuộc vào bộ điều khiển. Trên thực tế, người ta thường sử dụng bộ điều khiển PID, kết hợp với điều khiển tầng cho hệ thống này.

Tài liệu tham khảo

[1] Tự động hóa quá trình nhiệt. Hoàng Dương Hùng. 

[2] http://voer.edu.vn/c/9f189dc4

[3] http://nangluongnhiet.vn/congnghe/733-ve-hieu-qua-va-chat-luong-dieu-chinh-cua-mot-so-phuong-phap-tong-hop