1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Lị hơi là thiết bị trong đó xảy ra ra q trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt
lượng tỏa ra sẽ biến nước thành hơi, biến năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt
năng của dịng hơi và là thiết bị cơng nghiệp được sử dụng rất nhiều trong nhà
máy nhiệt điện và một số cơng nghệ khác.
Trong các nhà máy nhiệt điện, lị hơi sản xuất ra hơi để làm quay tuốc
bin phục vụ cho việc sản xuất điện năng và cũng là thiết bị lớn nhất và vận
hành phức tạp nhất, là một hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra. Hệ
thống điều khiển lò hơi là một hệ thống điều khiển phức tạp, giám sát và
điều khiển hàng trăm tham số. Hệ thống có có cấu trúc phức tạp với nhiều
mạch vịng điều khiển khác nhau.
Nhiệm vụ của cơng tác vận hành lò hơi là đảm bảo sao cho lò hơi làm
việc ở trạng thái kinh tế nhất, an toàn nhất trong một thời gian lâu dài.
Việc tự động hóa lò hơi chủ yếu tập trung vào vấn đề điều khiển tự động
các q trình trong lị để đảm bảo cho lò làm việc ổn định và kinh tế nhất bằng
cách điều chỉnh năm quan hệ: phụ tải – nhiên liệu, phụ tải – khơng khí, phụ tải –
khói thải, phụ tải – mức nước bao hơi và phụ tải – xả liên tục.
Từ những chỉ tiêu đặt ra, hệ thống điều khiển lò hơi phải được cấu thành
từ một số bộ điều chỉnh tương đối độc lập với nhau gồm:
- Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi.
- Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt.
- Hệ thống điều chỉnh quá trình cháy.
- Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi.
- Hệ thống điều chỉnh áp suất hơi
2
Việc nghiên cứu thiết kế và chỉnh định hệ thống điều khiển lò hơi là một
yêu cầu cần thiết đối với cán bộ kỹ thuật thuộc lĩnh vực điều khiển và tự động
hóa. Trong đó hệ thống điều chỉnh áp suất bao hơi là một trong những khâu
quan trọng của hệ điều khiển lị hơi, đóng vai trị trong việc nâng cao chất lượng
hệ thống điều khiển lò hơi. Việc đưa ra phương pháp điều khiển hiện đại áp
dụng cho một hệ thống điều khiển quá trình, cụ thể là điều khiển áp suất bao hơi
của nhà máy nhiệt điện. Đảm bảo khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm
việc địi hỏi các nhà khoa học khơng ngừng phát triển nghiên cứu.
Mặt khác một số lò hơi thế hệ cũ như lò hơi trong dây chuyền 1 của nhà
máy nhiệt điện Phả Lại yêu cầu phải nâng cấp hệ thống điều khiển để cải thiện
chất lượng bằng bộ điều khiển mới hiện đại hơn. Vì vậy nghiên cứu thiết kế bộ
điều khiển mờ chỉnh định tham số PID nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống
ổn định áp suất bao hơi là cấp thiết.
2. Mục tiêu của nghiên cứu
- Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển q trình của lị hơi đó là điều
khiển và ổn định áp suất. Mô phỏng và thực nghiệm để kiểm chứng kết quả thiết
kế (Với đối tượng điều khiển là mơ hình lị hơi nhà máy nhiệt điện tại Trung tâm
thí nghiệm Đại học Kỹ thuật cơng nghiệp Thái Ngun)
- Đề xuất cải thiện chất lượng điều khiển bằng bộ điều khiển mới là bộ
điều khiển mờ chỉnh định tham số PID.
3.Nội dung của luận văn
Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:
Chương 1: Giới thiệu về hệ thồng điều khiển áp suất bao hơi trong
nhà máy nhiện điện.
Chương 2: Mơ tả tốn học cho đối tượng điều khiển áp suất bao hơi nhà
máy nhiệt điện.
3
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển và ổn định áp suất
bao hơi cho lò hơi tại Trung tâm thí nghiệm - Đại học kỹ thuật công nghiệp
Thái Nguyên.
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để cải thiện
chất lượng hệ thống điều khiển và ổn định áp suất bao hơi.
Kết luận và kiến nghị
4
Chƣơng 1
GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT BAO HƠI
TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
1.1. Tổng quan về nhà máy nhiệt điện
Nhà máy nhiệt điện chiếm một thị phần quan trọng trong ngành sản xuất
điện năng của đất nước. Nhà máy hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển hóa
nhiệt năng thành cơ năng rồi sau đó thành điện năng. Ở đây nhiệt năng được tạo
thành từ việc đốt cháy các nhiên liệu: than đá, khí thiên nhiên, dầu mỏ... tại
buồng đốt làm nước trong lị hơi chuyển hóa thành hơi nước. Hơi nước (với các
điều kiện về áp suất, nhiệt độ, lưu lượng) được đưa tới sinh công ở tuabin. Điện
năng thu được ở đầu ra của máy phát sẽ được đưa qua hệ thống các trạm biến áp
để nâng lên cấp điện áp thích hợp trước khi hịa vào lưới điện quốc gia
1.1.1. Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện
Nguyên lý sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện là chuyển hoá nhiệt năng
từ đốt cháy các loại nhiên liệu trong lò hơi thành cơ năng quay tuabin, chuyển
cơ năng của tuabin thành năng lượng điện trong máy phát điện. Nhiệt năng được
dẫn đến tuabin qua môi trường dẫn nhiệt là hơi nước. Hơi nước chỉ là môi
trường truyền tải nhiệt năng đi nhưng hơi nước vẫn phải đảm bảo chất lượng (
như phải đủ áp suất, đủ độ khô) trước khi vào tuabin để sinh cơng. Nhiệt năng
cung cấp càng nhiều thì năng lượng điện phát ra càng lớn và ngược lại. Điện áp
phát ra ở đầu cực máy phát điện sẽ được đưa qua hệ thống trạm biến áp để nâng
lên cấp điện áp thích hợp trước khi hồ vào mạng lưới điện quốc gia.
Q trình chuyển hố năng lượng từ năng lượng hố năng chứa trong
nhiên liệu thành nhiệt năng bởi quá trình đốt cháy nhiên liệu. Nhiệt năng của
quá trình đốt cháy nhiên liệu được cấp cho quá trình tạo hơi bão hồ mang nhiệt
năng. Hơi bão hồ là mơi trường truyền nhiệt từ lò đến tuabin. Tại tuabin nhiệt
5
năng biến đổi thành cơ năng, sau đó từ cơ năng chuyển hố thành điện năng.
Q trình chuyển hố năng lượng đó có thể được thể hiện qua mơ hình sau:
Hình 1.1. Q trình chuyển hóa năng lượng
1.1.2. Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện
Nhà máy nhiệt điện hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển hóa nhiệt năng
thành cơ năng rồi sau đó thành điện năng; nhiệt năng được tạo thành từ việc đốt
cháy các nhiên liệu: than đá, khí thiên nhiên, dầu mỏ... tại buồng đốt làm nước
trong lị hơi chuyển hóa thành hơi nước. Nước ngưng từ các bình ngưng tụ được
bơm ngưng bơm vào các bình gia nhiệt hạ áp đến 140oC. Tại đây, nước ngưng
được gia nhiệt bởi hơi nước trích ra từ các cửa trích hơi qua tuabin. Sau khi đi
qua các bộ gia nhiệt hạ áp, nước ngưng được đưa lên bình khử khí 6at để khử
hết các bọt khí có trong nước, chống ăn mịn kim loại. Nước sau khi được khử
khí, được các bơm cấp nước đưa qua các bình gia nhiệt cao áp để tiếp tục được
gia nhiệt bởi hơi nước trích ra từ các cửa trích hơi ở xilanh cao áp của tuabin đến
nhiệt độ 230oC. Sau khi được gia nhiệt ở gia nhiệt cao áp, nước được đưa qua bộ
hâm nước ở đi lị rồi vào bình bao hơi.
Nước ở bình bao hơi theo vịng tuần hồn tự nhiên chảy xuống các giàn
ống sinh hơi, nhận nhiệt năng từ buồng đốt của lò biến thành hơi nước và trở về
6
bình bao hơi. Trong bình bao hơi phần trên là hơi bão hịa ẩm, phía dưới là nước
ngưng. Hơi bão hịa ẩm trong bình bao hơi khơng được đưa ngay vào tuabin mà
được đưa qua các bộ sấy hơi, tại đây hơi được sấy khô thành hơi quá nhiệt, rồi
được đưa vào tuabin. Tại tuabin, động năng của dòng hơi được biến thành cơ
năng quay trục hệ thống Tuabin-Máy phát. Hơi sau khi sinh công ở các tầng
cánh của tuabin được ngưng tụ thành nước ở bình ngưng tụ. Cơng do tuabin sinh
ra làm quay máy phát điện. Như vậy, nhiệt năng của nhiên liệu đã biến đổi thành
cơ năng và điện năng, cịn hơi nước là mơi chất trung gian được biến đổi theo
một vịng tuần hồn kín.
Hình1.2: Sơ đồ chu trình nhiệt của một tổ máy
1.2. Lị hơi nhà máy nhiệt điện
1.2.1. Nhiệm vụ của lò hơi
Trong nhà máy nhiệt điện, lò hơi là thiết bị lớn nhất sinh hơi và vận hành
phức tạp nhất. Nó có trình độ cơ khí hóa và tự động hóa khá cao, làm việc đảm
bảo và hiệu suất cũng tương đối cao. Trong đó xảy ra q trình đốt cháy nhiên
liệu, nhiệt lượng tỏa ra sẽ biến nước thành hơi, biến năng lượng của nhiên liệu
thành nhiệt năng của dòng hơi. Lò hơi có các nhiệm vụ chính sau:
- Chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu hữu cơ như than đá, dầu mỏ, khí
đốt… trong buồng đốt nhiên liệu thành điện năng.
7
- Truyền nhiệt năng sinh ra cho môi chất tải nhiệt hoặc môi chất và thông
qua hệ thống dẫn đưa mơi chất đi làm quay tua bin. Thường trong lị hơi chất tải
nhiệt là nước có nhiệt độ thơng thường được đưa lên nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ
sôi, biến thành hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt.
1.2.2.Cấu tạo của lò hơi
Nguyên lý và cấu tạo của lò hơi được biểu diễn trên hình 1.3. Cấu tạo
chung của lị hơi là nhằm thực hiện 2 nhiệm vụ chính: Một là chuyển hóa năng
của nhiên liệu thành nhiệt năng của sản phẩm cháy, nghĩa là đốt nhiên liệu thành
sản phẩm cháy có nhiệt độ cao, nước sơi, hơi bão hịa hoặc hơi quá nhiệt có áp
suất và nhiệt độ thỏa mãn u cầu sử dụng.
Hình 1.3: Ngun lí cấu tạo của lò hơi
1- Buồng đốt; 2- dàn ống sinh hơi; 3- vịi phun nhiên liệu + khơng khí
4- ống nước xng; 5- bao hơi; 6- ống dẫn hơi trên trần; 7- bộ quá nhiệt hơi; 8- Bộ
quá nhiệt trung gian hơi; 9- bộ hâm nước; 10- khoảng trống để vệ sinh và sửa chữa;
11- bộ sấy khơng khí.
8
Như vậy cấu tạo của lò hơi gồm các hệ thống chính như sau:
- Hệ thống cung cấp và đốt cháy nhiên liệu
- Hệ thống cung cấp khơng khí và thải sản phẩm cháy
- Hệ thống sử lí nước và cấp nước làm mát
- Hệ thống sản xuất và cấp nước nóng cho q trình sinh hơi
- Hệ thống đo lường điều khiển
- Hệ thống an tồn
- Hệ thống lị: Khung lò, tường lò, cách nhiệt…
Với lò đốt phun là loại lị hơi được sử dụng với cơng suất trung bình và
lớn, dùng phổ biến hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện ở nước ta, có thể đốt
nhiên liệu khí, nhiên liệu lỏng phun thành hạt hoặc nhiên liệu rắn nghiền thành
bột mịn.
Hình1.4: Một số bộ phận chính của lò hơi đốt than phun
9
Lị hơi đốt phun gồm các bộ phận chính sau: Bao hơi, van hơi chính,
đường nước cấp, vịi phun nhiên liệu, buồng lửa là không gian để đốt cháy tất cả
nhiên liệu phun vào lò, phễu tro lạnh để làm nguội các hạt tro xỉ trước khi thải ra
ngoài trong trường hợp thải xỉ khô, giếng xỉ để hứng tất cả xỉ ra ngồi, bơm
nước cấp, ống khói, bộ sấy khơng khí, quạt gió, bộ hâm nước, dàn ống nước
xuống, dàn ống nước lên, dãy festoon dàn ống sinh hơi và bộ quá nhiệt, bộ lọc
bụi để chống mài mòn cánh quạt khói.
1.2.3. Hệ thống điều khiển lị hơi
1.2.3.1. Lị hơi là một đối tượng điều khiển
Đầu ra của hệ thống điều khiển lò hơi là điện năng, được cung cấp lên
lưới điện tiêu thụ quốc gia. Chính vì vậy, giá trị công suất phát của nhà máy điện
thay đổi tùy thuộc nhu cầu sử điện. Giá trị công suất công suất này được yêu cầu
từ trung tâm điều độ quốc gia. Đối với hệ thống điều khiển lò hơi, công suất điện
phát ra phụ thuộc vào lưu lượng hơi đưa đến tuabin của máy phát, lưu lượng hơi
dẫn vào tuabin nhiều thì nhiệt được truyền theo và sinh cơng càng nhiều, do vậy
điện năng sản xuất ra càng lớn (chuyển hóa năng lượng từ nhiệt năng thành cơ
năng và thành điện năng) làm cho công suất của máy phát tăng lên và ngược lại.
Nên khi có yêu cầu về cơng suất điện phát ra thay đổi thì phải thay đổi lưu lượng
hơi đưa vào tuabin, kéo theo đó là yêu cầu nhiệt năng tăng lên, nhiên liệu đưa
vào lò phải tăng lên và nước cấp vào bao hơi cũng phải tăng lên để có được sản
lượng hơi u cầu.
Lị hơi là một hệ thống có nhiều đầu vào và có nhiều đầu ra. Đầu vào
của lị hơi bao gồm nhiên liệu (than, dầu), gió đảm bảo cung cấp O 2 cho quá
trình cháy và lượng nước cấp xuống từ bao hơi. Đầu ra của lò bao gồm hơi
nước bã hịa thốt ra từ bao hơi, lượng nước thừa đi xuống, lượng khói thải
và xỉ (tro) từ q trình cháy. Như vậy năng lượng đưa vào lị chính là hóa
năng có chứa trong nhiên liệu. Năng lượng hữu ích đầu ra của lò được mang
10
đi bởi hơi nước bã hịa (nước là mơi chất truyền nhiệt năng). Đầu vào và ra
có quan hệ mật thiết với nhau, với mỗi yêu cầu thay đổi đầu ra là cơng suất
máy phát điện thì cần phải điều khiển nhiên liệu vào như than, gió đáp ứng
được sản lượng hơi mong muốn.
1.2.3.2. Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò hơi
Hệ thống điều khiển lò hơi nhà máy nhiệt điện là một hệ thống điều khiển
có cấu trúc phức tạp với hàng trăm mạch vòng điều khiển khác nhau, giám sát
và điều khiển hàng trăm tham số. Trong lị hơi các q trình điều khiển gió vào
lị, nhiên liệu, q trình cháy, hơi, nước cấp... đều có tác động và ảnh hưởng lẫn
nhau, để đạt được hiệu suất tối đa, đáp ứng yêu cầu tải thì cùng lúc phải phối
hợp điều khiển nhiều đối tượng với nhiều thông số. Điều này yêu cầu một hệ
thống điều khiển tổng thể, điều khiển giám sát và làm giảm được sự xen kênh
giữa các hệ điều khiển của các đại lượng trong hệ thống.
Các hệ điều khiển đó bao gồm nhiều mạch vòng điều khiển khác nhau
nhưng chúng được xếp vào hai loại điều khiển thực hiện hai nhiệm vụ chính
sau đây:
- Các mạch vịng điều khiển đảm bảo q trình chuyển hóa năng lượng.
- Các mạch vịng điều khiển đảm bảo chất lượng.
Các mạch vòng điều khiển đảm bảo quá trình chuyển hóa năng lƣợng
Q trình chuyển đổi năng lượng trong nhà máy nhiệt điện như ta đã đề
cập ở phần trên bao gồm nhiều q trình chuyển hóa năng lượng: từ hóa năng
thành nhiệt năng, nhiệt năng lại chuyển hóa thành hóa năng và cơ năng, từ cơ
năng chuyển hóa thành thành điện năng. Tuy nhiên trong điều khiển thì quá
trình thường đi theo hướng ngược lại, từ yêu cầu của tải quyết định công suất
máy phát; từ công suất máy phát tính tốn ra tổng nhiệt năng theo yêu cầu. Tổng
nhiệt năng yêu cầu sẽ là lượng đặt điều khiển lượng than cấp vào và điều khiển
11
lượng khói gió cần thiết để đảm bảo q trình cháy cung cung cấp nhiệt năng.
Ngồi ra, cơng suất máy phát là lượng đặt điều khiển lượng hơi cấp vào tuabin,
đồng thời cũng phải điều khiển nước cấp đảm bảo mức nước cân bằng trong bao
hơi. Tất cả các quá trình điều khiển đó đều nhằm mục đích là đảm bảo q trình
chuyển hóa năng trong lị.
Các mạch vịng điều khiển đảm bảo chất lƣợng
Để hiệu suất lò hơi cao nhất, đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất như tuổi
thọ của nhà máy và chất lượng điện phát ra thì phải đảm bảo được hai yêu cầu:
- Chất lượng của q trình cháy: Nhiên liệu cấp vào lị đủ mịn, lượng
khơng khí cấp vào đảm bảo nhiên liệu cháy hết tạo ra nhiệt năng lớn nhất.
- Chất lượng của hơi: Hơi có nhiệt độ, áp suất ổn định và lưu lượng đáp
ứng theo yêu cầu tải, ngoài ra hơi nước không được phép lẫn bụi hay các hạt
nước li ti tránh gây rỗ và hỏng cánh tuabin.
Tất cả các mạch vịng điều khiển đều có sự liên quan ràng buộc lẫn nhau.
Vì vậy điều khiển lị hơi là điều khiển phức tạp có nhiều đầu vào nhiều đầu ra
(MIMO) có tác động xen kênh lớn. Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển lị
hơi được trình bày như hình1.5 dưới:
12
Hình 1.5: Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển lò hơi
1.3. Nghiên cứu về hệ thống điều chỉnh áp suất bao hơi trong nhà máy
nhiệt điện
1.3.1. Đặt vấn đề
Lò hơi là thiết bị trong đó xảy ra q trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt
lượng tỏa ra sẽ biến nước thành hơi, biến năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt
năng của dòng hơi.
Trong các nhà máy điện, lò hơi sản xuất ra hơi để làm quay tuôcbin phục
vụ cho việc sản xuất điện năng và cũng là thiết bị lớn nhất và vận hành phức tạp
nhất. Lò hơi là một hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra. Hệ thống điều
khiển lò hơi là một hệ thống điều khiển phức tạp, giám sát và điều khiển hàng
trăm tham số. Hệ thống có cấu trúc phức tạp với nhiều mạch vòng điều khiển
khác nhau.
Vận hành lò hơi là một công việc gồm nhiều thao tác điều khiển phức tạp.
Quá trình vận hành lị hơi khơng tách khỏi q trình vận hành chung toàn nhà
máy. Mỗi một sự thay đổi của một khâu nào đó trong nhà máy đều dẫn đến sự
13
thay đổi chế độ vận hành của lò hơi và đòi hỏi phải thay đổi các thao tác điều
khiển lò tương ứng.
Nhiệm vụ của cơng tác vận hành lị hơi là đảm bảo sao cho lò hơi làm
việc ở trạng thái kinh tế nhất, an toàn nhất trong một thời gian lâu dài. Cụ thể
trong q trình vận hành lị hơi không để xẩy ra sự cố và phải đảm bảo lị làm
việc có hiệu suất cao nhất, tương ứng là lượng than tiêu hao để sản xuất 1 kg hơi
là nhỏ nhất. Các thơng số của lị hơi như áp suất hơi trong bao hơi hoặc ở ống
góp hơi chung, nhiệt độ hơi quá nhiệt, mức nước trong bao hơi, hệ số khơng khí
thừa, chân khơng buồng lửa, hàm lượng muối trong nước cấp lò hơi và trong bao
hơi, … phải được giữ cố định và chỉ được phép thay đổi trong một phạm vi giới
hạn cho phép tương đối nghiêm khắc.
Việc tự động hóa lị hơi chủ yếu tập trung vào vấn đề điều khiển tự động
các quá trình trong lị để đảm bảo cho lị làm việc ổn định và kinh tế nhất bằng
cách điều chỉnh năm quan hệ: phụ tải – nhiên liệu, phụ tải – khơng khí, phụ tải –
khói thải, phụ tải – mức nước bao hơi và phụ tải – xả liên tục.
Do nhiệt độ hơi quá nhiệt phụ thuộc rất ít đến phụ tải lị hơi nên việc điều
chỉnh nó được thực hiện độc lập chủ yếu bằng các bộ giảm ôn hỗn hợp.
Từ những chỉ tiêu đặt ra, hệ thống điều khiển lò hơi phải được cấu thành
từ một số bộ điều chỉnh tương đối độc lập với nhau gồm:
- Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi.
- Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt.
- Hệ thống điều chỉnh quá trình cháy.
- Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi.
- Hệ thống điều chỉnh áp suất bao hơi.
14
1.3.2. Hệ điều khiển bao hơi
Hơi nước chính là đối tượng mang nhiệt năng, hơi được dẫn đến tuabin để
sinh cơng (nhờ sự chuyển hố năng lượng từ nhiệt năng thành cơ năng). Bao hơi
là thiết bị gom hơi nước sau đó đưa đến tuabin.
Nước từ bao hơi được đưa xuống quanh lị bởi các ống dẫn (bao hơi đặt
phía trên lị, ở vị trí cao nhất). Buồng đốt được cấu tạo từ các dàn ống sinh hơi,
các dàn ông sinh hơi được đốt nóng trực tiếp bởi ngọn lửa trong lị, nước trong
các dàn ống sinh hơi sẽ sơi và sinh hơi. Hỗn hợp hơi nước bốc lên từ các dàn
ống sinh hơi tường hai bên lò tập trung vào các ống góp trên hai bên sườn trần
lị. Từ các ống góp này hỗn hợp hơi nước đi vào bao hơi bằng các đường ống
lên. Hơi nước vào bao hơi sẽ qua máy lọc hơi để lọc đi phần nước trong hỗn hợp
hơi nước rồi được đưa vào bộ quá nhiệt để khử ẩm cho hơi và đảm bảo chất
lượng hơi trước khi bắn vào tuabin.
Hơi nước là môi chất truyền năng nượng, để đảm bảo hiệu suất biến đổi
năng lượng được tốt cần phải quan tâm tới các thông số cơ bản của hơi nước là:
lưu lượng hơi, nhiệt độ hơi và áp suất sinh hơi.
Lưu lượng hơi:
Lưu lượng hơi là thông số biến đổi theo phụ tải. Lưu lượng hơi dẫn vào
tuabin càng nhiều thì cơng sinh ra càng lớn và công suất máy phát càng tăng lên
và ngược lại. Ở mỗi giá trị công suất điện phát ra cần có một lưu lượng hơi
tương ứng. Để điều chỉnh lưu lượng hơi phải điều chỉnh nhiên liệu đầu vào cho
q trình cháy trong lị hơi và điều chỉnh van tuabin. Khi điều chỉnh nhiên liệu
thì đồng thời tác động lên bộ điều khiển khơng khí cho phù hợp với chế độ kinh
tế nhất. Hệ thống điều chỉnh phụ tải nhiệt nhằm duy trì ổn định sản lượng hơi
ứng với giá trị yêu cầu.
Tuy nhiên lưu lượng hơi có thể bị thay đổi so với giá trị yêu cầu do nhiều
nguyên nhân như: sự thay đổi độ ẩm và nhiệt trị của nhiên liệu, nhiệt độ nước
15
cấp, cũng như sự biến động của nhiên liệu, … Những thay đổi đó là tín hiệu tác
động trở lại bộ điều chỉnh nhiên liệu để thay đổi lượng nhiên liệu từ đó duy trì
lượng hơi ổn định theo u cầu.
Nhiệt độ hơi:
Nhiệt độ hơi quá nhiệt là thông số quan trọng, thông số này cần được điều
chỉnh giữ ổn định tại mọi giá trị tải. Nhiệt độ hơi được duy trì ở một giá trị cố
định nhằm tiết kiệm năng lượng, tránh gây hư hại đường ống do dao động về
nhiệt, và tránh tổn thất nhiệt năng do có sự trao đổi nhiệt giữa hơi và đường ống
dẫn hơi. Hơi bão hồ ra khỏi bao hơi có nhiệt độ không ổn định do nhiều nguyên
nhân như sự thay đổi tải lò, sự biến đổi của bề mặt truyền nhiệt,…
Áp suất hơi:
Áp suất hơi cũng là một thông số của hệ điều khiển, với mọi giá trị yêu
cầu của tải thì áp suất hơi được điều chỉnh ở một giá trị ổn đinh.
Giữa áp suất hơi và lưu lượng hơi có mối quan hệ qua lại với nhau. Khi
lưu lượng hơi tăng thì ngay lập tức áp suất hơi sẽ giảm do hơi từ bao hơi chưa
cung cấp kịp cho sự thay đổi của yêu cầu hơi. Vì vậy sự thay đổi của áp suất hơi
khi có yêu cầu thay đổi tải lị cịn dùng làm tín hiệu tính tốn u cầu nhiên liệu.
Khi áp suất ổn định chứng tỏ lượng hơi tiêu thụ và lượng hơi sinh ra cân
bằng nhau. Áp suất hơi giảm tức là hơi tiêu thụ nhiều tăng lên, nên cần phải tăng
thêm nhiêu liệu đê tăng sản lượng hơi, còn khi áp suất hơi tăng lên thì q trình
xảy ra ngược lại,
Tóm lại nhiệt độ, lưu lượng và áp suất hơi quá nhiệt trước khi vào tuabin
là các thông số quan trọng của hệ thống điều khiển hơi. Việc tối ưu hoá các giá
trị này như một giải pháp nâng cao hiệu suất của nhà máy và chất lượng điện
phát ra.
16
Hệ thống điều khiển hơi có hai hệ điều khiển được phân ly: hệ điều khiển
nhiệt độ và hệ điều khiển áp suất – lưu lượng.
Hệ điều khiển áp suất và lưu lượng hơi: Đại lượng yêu cầu điều khiển ở
đây là áp suất hơi phải giữ không đổi với mọi giá trị tải yêu cầu, trong khi đó lưu
lượng lại luôn thay đổi phụ thuộc vào công suất tải yêu cầu. Để thực hiện điều
khiển được hai đại lượng đó thì phải điều khiển tới u cầu nhiên liệu.
1.3.3. Mục tiêu của 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 lượng thấp như
khơng thích nghi, khơng bền vững, tín hiệu điều khiển khơng bị chặn. Trên cơ
sở các tín hiệu vào là lưu lượng nước cấp, lưu lượng hơi tươi và mức nước bao
hơi, bộ điều chỉnh mức nước sẽ làm thay đổi độ mở van cấp nước một cách
tương ứng để duy trì ổn định áp suất trong bao hơi. Áp suất hơi cũng là một
thông số của hệ điều khiển, với mọi giá trị yêu cầu của tải thì áp suất hơi được
điều chỉnh ở một giá trị ổn định. Do đó, yêu cầu đối với bộ điều chỉnh áp suất
bao hơi là phải có độ tác động nhanh phù hợp. Khi áp suất trong bao hơi thay
đổi thì mức nước bao hơi thay đổi theo quan hệ nghịch. Nếu áp suất tăng thì
mức nước bao hơi giảm và nếu áp suất giảm thì mức nước bao hơi sẽ tăng
Việc đưa ra phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho một hệ thống
điều khiển quá trình, cụ thể là điều khiển áp suất bao hơi của nhà máy nhiệt
điện. Đảm bảo khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm việc đòi hỏi các
nhà khoa học khơng ngừng phát triển nghiên cứu. Vì vậy nghiên cứu thiết kế bộ
điều khiển mờ chỉnh định tham số PID nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống
ổn định áp suất bao hơi là cấp thiết. Mục tiêu của luận văn là:
- Mơ tả tốn học cho hệ thống điều khiển áp suất bao hơi.
- Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều khiển hệ thống
áp suất bao hơi.
17
1.3.4. Dự kiến các kết quả đạt đƣợc
- Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển và ổn định áp suất của mơ hình
lị hơi nhà máy nhiệt điện trong Trung tâm thí nghiệm - Trường Đại học Kỹ
Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên. Mô phỏng và thực nghiệm để kiểm chứng bộ
điều khiển.
- Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để cải thiện chất
lượng điều khiển và mô phỏng để kiểm chứng.
1.4. Kết luận chƣơng 1
Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Tổng quan được những nét cơ bản nhất về nhà máy nhiệt điện.
- Lựa chọn được đối tượng nghiên cứu là áp suất bao hơi
- Lựa chọn phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều
khiển áp suất bao hơi trong lò hơi nhà máy nhiệt điện.
Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về áp suất bao hơi, trong chương 2 sẽ
đi sâu nghiên cứu về áp suất bao hơi, làm cơ sở để mô tả toán học.
18
Chƣơng 2
MƠ TẢ TỐN HỌC CHO ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT BAO
HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
2.1. Đặt vấn đề
Mô tả toán học của đối tượng là đưa đối tượng về một dạng mơ hình tốn
nào đó. Mơ hình là một hình thức mơ tả khoa học và cơ đọng các khía cạnh thiết
yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng. Một mơ hình
phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó phục vụ hữu ích cho mục đích
sử dụng. Mơ hình khơng những giúp ta hiểu rõ hơn về thế giới thực, mà còn cho
phép thực hiện được một số nhiệm vụ phát triển mà khơng cần sự có mặt của
q trình và hệ thống thiết bị thực. Mơ hình giúp cho việc phân tích kiểm chứng
tính đúng đắn của một giải pháp thiết kế được thuận tiện và ít tốn kém, trước khi
đưa giải pháp vào triển khai.
Có thể phân loại thành hai phạm trù là mơ hình vật lý và mơ hình trừu
tượng. Mơ hình vật lý là một sự thu nhỏ và đơn giản hoá của hệ thống thực,
được xây dựng trên cơ sở vật lý - hố học giống như các q trình và thiết bị
thực.
- Mơ hình vật lý là một phương tiện hữu ích phục vụ đào tạo cơ bản và
nghiên cứu ứng dụng, nhưng ít phù hợp cho các cơng việc thiết kế và phát triển
của người kỹ sư điều khiển quá trình.
- Mơ hình trừu tượng được xây dựng trên cơ sở một ngôn ngữ bậc cao,
nhằm mô tả một cách logic các quan hệ về mặt chức năng giữa các thành phần
của hệ thống. Việc xây dựng mơ hình trừu tượng của một hệ thống được gọi là
mơ hình hố. Mơ hình hố là một q trình trừu tượng hố trong đó thế giới thực
được mơ tả bằng một ngơn ngữ mơ hình hố và bỏ qua các chi tiết khơng thiết
19
yếu. Trong kỹ thuật điều khiển, ta quan tâm trước hết tới bốn dạng mơ hình trừu
tượng sau:
* Mơ hình đồ họa: Với các ngơn ngữ mơ hình hố đồ họa như lưu đồ công
nghệ, lưu đồ P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri, biểu đồ logic,... Mơ hình đồ hoạ phù
hợp cho việc biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trúc liên kết và tương tác
giữa các thành phần.
* Mơ hình tốn học: Với ngơn ngữ của tốn học như phương trình vi phân
(khả năng biểu diễn mạnh, với mơ hình bậc cao thì khó sử dụng cho phân tích
thiết kế hệ thống), phương trình đại số, hàm truyền đạt, phương trình trạng thái
(áp dụng thống nhất cho phân tích, thiết kế hệ đơn biến và đa biến, khó tiến hành
nhận dạng trực tiếp, nhạy cảm với sai lệch thơng số, ít dùng cho điều khiển q
trình). Mơ hình tốn học thích hợp cho mục đích nghiên cứu sâu sắc các đặc tính
của từng thành phần cũng như bản chất của các mối liên kết và tương tác.
* Mơ hình suy luận: Là một hình thức biểu diễn thơng tin và đặc tính về
hệ thống thực dưới dạng các luật suy diễn, sử dụng các ngôn ngữ bậc cao.
* Mơ hình máy tính: Là các chương trình phần mềm mơ phỏng đặc tính
của hệ thống theo những khía cạnh quan tâm. Mơ hình máy tính được xây dựng
với các ngơn ngữ lập trình, trên cơ sở sử dụng các mơ hình tốn học hoặc mơ
hình suy luận.
Mơ hình tốn học, mơ hình suy luận và mơ hình máy tính được xếp vào
phạm trù mơ hình định lượng, trong khi mơ hình đồ hoạ thuộc phạm trù mơ hình
định tính. Mơ hình định tính thường quan tâm tới cấu trúc và mối liên quan giữa
các thành phần hệ thống về mặt định tính. Trong khi đó một mơ hình định lượng
cho phép thực thi các phép tính để xác định rõ hơn quan hệ về mặt định lượng
giữa các đại lượng đặc trưng trong hệ thống cũng như quan hệ tương tác giữa hệ
thống với mơi trường bên ngồi.
20
Mặc dù cả bốn dạng mơ hình nói trên đều có vai trị quan trọng nhất định
trong lĩnh vực điều khiển q trình, các mơ hình tốn học đóng vai trò then chốt
trong hầu hết nhiệm vụ phát triển hệ thống. Trong các bước thực hiện nhiệm vụ
phát triển, mô hình tốn học giúp các cán bộ cơng nghệ cũng như cán bộ điều
khiển cho các mục đích sau đây:
- Hiểu rõ hơn về quá trình sẽ cần phải điều khiển và vận hành.
- Tối ưu hố thiết kế cơng nghệ và điều kiện vận hành hệ thống.
- Thiết kế sách lược và cấu trúc điều khiển.
- Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển.
- Phân tích và kiểm chứng các kết quả thiết kế.
- Mơ phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo vận hành.
Xác định rõ mục đích sử dụng của mơ hình là một việc hết sức cần thiết,
bởi mục đích sử dụng quyết định tới việc lựa chọn phương pháp mơ hình hố
cũng như mức độ chi tiết và chính xác của mơ hình sau này.
2.2. Mơ tả tốn học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển áp suất
bình bao hơi nhà máy nhiệt điện
2.2.1. Cấu trúc điều khiển hệ thống áp suất bình bao hơi
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình được minh họa
như hình 2.1:
Hình 2.1: Sơ đồ khối một vịng của hệ thống điều khiển q
trình
21
2.2.2. Xây dựng hàm truyền các thành phần của hệ thống
2.2.2.1. Thi t b đo
a. Cấu trúc cơ bản:
Một thiết bị đo q trình có nhiệm vụ cung cấp thơng tin về diễn biến của
quá trình kỹ thuật và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn. Cấu trúc cơ bản của một
thiết bị đo quá trình được minh hoạ như trên hình 2.2.
Hình 2.2: Cấu trúc cơ bản của một thi t b đo quá trình
Thành phần cốt lõi của một thiết bị đo là cảm biến. Một cảm biến có chức
năng chuyển đổi một đại lượng vật lý, ví dụ nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng,
nồng độ sang một tín hiệu thơng thường là điện hoặc khí nén. Một cảm biến có
thể bao gồm một hoặc vài phần tử cảm biến, trong đó mỗi phần tử cảm biến lại
là một bộ chuyển đổi từ một đại lượng này sang một đại lượng khác dễ xử lý
hơn. Tín hiệu ra từ cảm biến thường rất nhỏ, chưa truyền được xa, chứa sai số do
chịu ảnh hưởng của nhiễu hoặc do độ nhạy kém của cảm biến, phi tuyến với đại
lượng đo. Vì thế sau phần tử cảm biến người ta cần các khâu khuếch đại chuyển
đổi, lọc nhiễu, điều chỉnh phạm vi, bù sai lệch và tuyến tính hố. Những chức
năng đó được thực hiện trong một bộ chuyển đổi đo chuẩn. Một bộ chuyển đo
đổi chuẩn đóng vai trị là một khâu điều hồ tín hiệu, nhận tín hiệu đầu vào từ
một cảm biến và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn để có thể truyền xa và thích
22
hợp với đầu vào của bộ điều khiển. Trong thực tế nhiều bộ chuyển đổi đo chuẩn
được tích hợp ln cả phần tử cảm biến, vì vậy khái niệm 'Trasmitter' cũng được
dùng để chỉ các thiết bị đo.
Thuật ngữ:
Measurement device: Thiết bị đo
Sensor: Cảm biến
Sensor element: Phần tử cảm biến, đầu đo
Signal conditioning: Điều hồ tín hiệu
Transmitter: Bộ chuyển đổi đo chuẩn
Transducer: Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng
Thi t b đo áp suất
Lưu lượng k
Hình 2.3: Một số hình ảnh thi t b đo công nghiệp
Chất lượng và khả năng ứng dụng của một thiết bị đo phụ thuộc vào nhiều
yếu tố mà ta khái quát là các đặc tính thiết bị đo, bao gồm đặc tính vận hành, đặc
tính tĩnh và đặc tính động học. Đặc tính vận hành bao gồm các chi tiết về khả
năng đo chi tiết vận hành và tác động mơi trường. Đặc tính tĩnh biểu diễn quan
hệ giữa đại lượng đầu vào và giá trị tín hiệu đầu ra của thiết bị đo ở trạng thái
xác lập, trong khi đặc tính động học biểu diễn quan hệ giữa biến thiên đầu vào
và tín hiệu ra theo thời gian. Đặc tính tĩnh liên quan tới độ chính xác khi giá trị
23
của đại lượng đo không thay đổi hoặc thay đổi rất chậm. Ngược lại, đặc tính
động học liên quan tới khả năng phản ứng của thiết bị đo khi đại lượng đo thay
đổi nhanh.
b. Đặc tính động:
Khi giá trị đại lượng đo ít thay đổi hoặc thay đổi rất chậm, tín hiệu đo chỉ
phụ thuộc vào giá trị đầu vào và ta chỉ cần quan tâm tới đặc tính tĩnh của thiết bị
đo. Tuy nhiên tín hiệu đầu ra sẽ không thể đáp ứng ngay với sự thay đổi tương
đối nhanh của đại lượng đo. Quan hệ phụ thuộc của tín hiệu đầu ra vào cả đại
lượng đo và biến thời gian được gọi là đặc tính động học của thiết bị đo. Đặc
tính động học của hầu hết các thiết bị đo có thể được mơ tả được mơ tả bằng một
phương trình vi phân cấp một hoặc cấp hai. Coi đặc tính của thiết bị đo là tuyến
tính coi động học của nó có thể được biểu diễn với một khâu quán tính bậc nhất:
Gm ( s )
y( s ) km
x( s ) 1 s
Hoặc một khâu ổn định:
Gm ( s )
km
y( s )
2
x( s ) 2 s s 2
Nói chung, đặc tính động học của một thiết bị đo có ảnh hưởng ít nhiều
tới chất lượng điều khiển. Nếu hằng số thời gian trong hai mơ hình trên rất nhỏ
so với hằng số thời gian của q trình cơng nghệ, hay nói cách khác là phép đo
có động học nhanh hơn nhiều so với động học của quá trình, ta có thể bỏ qua
qn tính của thiết bị đo và coi đặc tính của thiết bị đo như một khâu khuếch đại
thuần tuý. Ngược lại, nếu hằng số thời gian này không nhỏ hơn nhiều so với
hằng số thời gian của q trình, ta có hai phương án giải quyết:
+ Đưa mơ hình động học của thiết bị đo vào mơ hình q trình
24
+ Vẫn chỉ sử dụng mơ hình tĩnh của thiết bị đo và coi sai số động gây ra
là nhiễu đo.
Hàm truyền đạt của bộ chuyển đổi dịng điện-khí nén (I/P)
Bộ chuyển đổi I/P được chọn là PK200 của hãng YOKOGAWA có tín hiệu
đầu vào là dịng điện I: 4 20mA và tín hiệu đầu ra là áp suất khí nén P: 0,2
1KG/cm2.
Như vậy, thiết bị này có hàm truyền là một khâu khuyếch đại với hệ số
khuyếch đại K được xác định như sau:
K IP
KG / cm 2
Pmax 1 0,2
0,05
Imax 20 4
mA
2.2.2.2. Thi t b chấp hành
Một hệ thống/thiết bị chấp hành có chức năng can thiệp tới biến điều
khiển. Hình 2.4 minh hoạ cấu trúc cơ bản của một thiết bị chấp hành. Thành
phần can thiệp trực tiếp tới biến điều khiển được gọi là phần tử điều khiển, ví dụ
van t lệ, van on/off, tiếp điểm, sợi đốt, băng tải. Phần tử điều khiển được truyền
năng lượng truyền động từ cơ cấu chấp hành, ví dụ các hệ thống động cơ, cuộn
hút và cơ cấu khí nén, thu lực. Trong các hệ thống điều khiển quá trình thì hầu
hết biến điều khiển là lưu lượng, vì thế van điều khiển là thiết bị chấp hành tiêu
biểu nhất và quan trọng nhất. Van điều khiển cho phép điều chỉnh lưu lượng của
một lưu chất qua đường ống dẫn tỉ lệ với tín hiệu điều khiển. Trong nội dung sau
đây ta tập trung vào các yếu tố cơ bản của một van điều khiển.
Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản của thi t b chấp hành
25
a. Cấu trúc cơ bản
Một van điều khiển bao gồm thân van được ghép nối với một cơ chế chấp
hành cùng với các phụ kiện liên quan. Trên hình 2.5 là hình ảnh mặt cắt của một
van khí nén với cơ chế truyền động màng rung - lò xo.
Màng chắn
Cửa vào khí nén
Lị xo
Chỉ th hành trình
Cầu van
Cổng lưu chất ra
Cổng lưu chất vào
Chốt van
Chân van
Hình 2.5: Cấu trúc tiêu biểu của một van cầu khí nén
Phần thân van cùng các phụ kiện được gắn với đường ống, đóng vai trò là
phần tử điều khiển. Độ mở van và lưu lượng qua van được xác định bởi hình
dạng và vị trí chốt van. Ta có thể phân loại van dựa theo thiết kế và kiểu chuyển
động của chốt van như sau:
Van cầu: Chốt trượt có đầu hình cầu hoặc hình nón, chuyển động lên
xuống.
- Van nút: Chốt xoay hình trụ hoặc một phần hình trụ.
- Van bi: Chốt xoay hình cầu hoặc một phần hình cầu.
