Vì vậy việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển hiện đạinhằm nâng cao chấú́t lượng các quá trình của nhà máy nhiệt điện là rấú́tquantrọọ̣ng.Việc ứng dụng các thuật toán điều khiển h
GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
Giới thiệu chung về nhà máy nhiệt điện
1.1.1.Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện
Hiện nay trên toàn thế giới và ở Việt Nam, các nhà máy nhiệt điện vẫn được xây dựng và liên tục hiện đại hóa về kỹ thuật và công nghệ nhằm khai thác tối đa công suất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường Việc nâng cấp công nghệ và tối ưu hóa quy trình vận hành giúp tăng hiệu quả, tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng phát thải, hướng tới phát triển bền vững.
Các nguồn nhiên liệu khai thác từ thiên nhiên như than đá, dầu mỏ và khí dầu mỏ được sử dụng để tạo nhiệt năng cho các nhà máy nhiệt điện Hiện nay có hai loại hình nhà máy nhiệt điện cơ bản là nhà máy nhiệt điện than và nhà máy nhiệt điện dầu khí, mỗi loại có đặc thù về cách vận hành và tác động đến hiệu quả sản xuất cũng như môi trường.
- Nhà máy nhiệt điện tuabin hơi.
- Nhà máy nhiệt điện tuabin khí.
+ Với nhà máy nhiệt điện tuabin hơi:
Các nhiên liệu hữu cơ, chủ yếu là than bột, được đốt trong lò hơi để sinh nhiệt và hóa hơi nước trong các giàn ống sinh hơi Hơi nước sau khi được sinh ra được vận chuyển qua hệ thống phân ly và các thiết bị làm quá nhiệt nhằm đảm bảo nhiệt độ, áp suất và lưu lượng phù hợp với yêu cầu sinh công theo thiết kế Hơi nước bão hòa được đưa vào các tầng cánh tuabin để sinh công và tạo mômen quay cho hệ thống máy phát được nối đồng trục với tuabin Sau khi qua tuabin, hơi nước được thu hồi và tuần hoàn trở lại hệ thống nhằm tối ưu hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.
+ Với nhà máy nhiệt điện tuabin khí:
Quá trình bắt đầu khi không khí bên ngoài được làm sạch và loại bỏ hơi nước, sau đó được dẫn qua hệ thống ống tới máy nén khí để tăng áp suất Khí có áp suất cao này tiếp tục được đưa vào buồng đốt và đốt với nhiên liệu, thường là khí tự nhiên Khối khí cháy sau khi đốt có nhiệt độ và áp suất rất cao được đưa vào các tầng turbine khí nhằm sinh công Turbine quay và truyền động cho máy phát điện, tại đầu ra của máy phát thu được điện năng.
1.1.2.Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện
Trong chu trình tuần hoàn kín của hệ thống nhà máy nhiệt điện, nước ngưng từ bình ngưng được bơm vào bình gia nhiệt hạ áp để nhận nhiệt từ hơi nước trích từ cửa trích hơi qua tuabin; sau đó nước được đưa tới bình khử khí để loại bỏ các khí hòa tan và ngăn ăn mòn kim loại Nước sau khi khử khí được bơm qua bình gia nhiệt cao áp để nhận thêm nhiệt từ hơi nước trích từ tuabin ở khu vực cao áp, rồi qua bộ hâm nước ở đuôi lò và vào buồng đốt để sưởi ấm sinh hơi Nước bao hơi theo vòng tuần hoàn tự nhiên chảy lên giàn ống sinh hơi, nhận nhiệt từ buồng đốt và biến thành hơi nước rồi trở về bình ngưng Hơi bão hòa ẩm trong bao hơi không được đưa thẳng vào tuabin mà đi qua hệ thống sấy hơi, nơi được sấy khô thành hơi quá nhiệt trước khi vào tuabin Tại tuabin, động năng của hơi được chuyển hóa thành cơ năng quay trục của hệ thống Tuabin-Máy phát điện; sau khi sinh công, hơi được ngưng tụ ở bình ngưng và quay lại vòng tuần hoàn kín Như vậy, nhiệt năng của nhiên liệu được biến đổi thành cơ năng và điện năng, còn hơi nước đóng vai trò chất trung gian cho quá trình trao đổi nhiệt và vòng tuần hoàn.
2 2 Lò hơi nhà máy nhiệt điện
2 2.1.Nhiệm vụ của lò hơi
Trong nhà máy nhiệt điện, lò hơi là thiết bị lớn nhất và phức tạp nhất, được vận hành với trình độ cơ khí hóa và tự động hóa cao để đảm bảo an toàn, ổn định và hiệu suất vận hành tương đối cao Lò hơi có các nhiệm vụ chính gồm đun nước thành hơi ở áp suất và nhiệt độ cần thiết để cấp cho tua-bin, cung cấp nước cấp và gia nhiệt nước cấp nhằm tối ưu chu trình tuần hoàn nước, và quản lý quá trình đốt cũng như trao đổi nhiệt để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu, đồng thời kiểm soát và giám sát toàn bộ hệ thống nhằm đảm bảo an toàn vận hành và bảo trì hiệu quả.
-Chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu hữu cơ như than đá, dầu mỏ, khí đốt… thành điện năng.
Truyền nhiệt là quá trình đưa năng lượng nhiệt vào môi chất tải nhiệt nhằm nâng nhiệt độ từ mức thông thường lên mức cao hoặc tới nhiệt độ sôi Quá trình này khiến môi chất chuyển từ trạng thái lỏng sang hơi, có thể là hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt tùy điều kiện vận hành Việc kiểm soát nhiệt độ và trạng thái hơi của môi chất là yếu tố quan trọng để tối ưu hiệu suất truyền nhiệt trong hệ thống.
2.2.2.Các loại lò hơi chính
Trong các nhà máy điện, hai loại lò hơi phổ biến là lò hơi có bao hơi (lò hơi tuần hoàn tự nhiên nhiều lần khi áp suất hơi đầu ra p0 < Pth với Pth = 221 atm) và lò trực lưu Lò có bao hơi tận dụng vòng tuần hoàn tự nhiên để sinh hơi ở áp suất thấp, giúp vận hành ổn định và tiết kiệm năng lượng, trong khi lò trực lưu cho phép nước và hơi chảy qua hệ thống làm lạnh và đẩy hơi lên áp suất cao, tăng hiệu suất truyền nhiệt Việc lựa chọn giữa hai loại lò phụ thuộc vào yêu cầu áp suất, lưu lượng và đặc tính vận hành của hệ thống phát điện.
Trong lò, nước được tuần hoàn tự nhiên nhờ sự chênh lệch khối lượng riêng của môi chất do nhiệt và nguyên lý nhận nhiệt qua bề mặt trao đổi nhiệt; nước nóng có khối lượng riêng nhỏ hơn được đẩy lên, nước lạnh có khối lượng riêng lớn hơn bị đẩy xuống, nhờ vậy dòng nước lên xuống được thực hiện qua dàn ống sinh hơi và đường ống xuống Để máy thực hiện tuần hoàn tự nhiên nhiều lần, khoảng 4–10 chu kỳ, đường ống xuống và dàn ống sinh hơi phải được nối với bao hơi.
Lò trực lưu không có bao hơi nên nước chỉ được tuần hoàn một lần Nước chuyển động dưới áp lực của bơm cấp nước qua bộ hâm nước và đi trực tiếp lên mặt sinh hơi nhận nhiệt bức xạ từ luồng lửa, rồi tới phần đối lưu Tại đây nước được hóa hơi hoàn toàn, trở thành hơi bão hòa khô và tiếp tục đi tới bộ quá nhiệt.
Việc thu được hơi nước từ hai loại lò trên căn cứ vào ba quá trình vật lý: đun nước nóng tới nhiệt độ sôi, sôi để hoá hơi hoàn toàn và chuyển từ pha lỏng sang pha hơi bão hòa khô, sau đó là quá nhiệt lên tới nhiệt độ mong muốn Theo áp suất sinh hơi khác nhau, nhiệt độ sôi và các đại lượng nhiệt liên quan sẽ thay đổi tương ứng: nhiệt lượng đun nóng nước tới nhiệt độ sôi, nhiệt lượng sinh hơi và nhiệt hàm của hơi bão hòa khô sẽ biến thiên, như được minh họa trong bảng 1.1.
Dựa trên các số liệu, ta thấy khi tăng áp suất sinh hơi thì nhiệt độ sôi tăng lên và nhiệt lượng sinh hơi giảm đi; ở áp suất tới hạn 225,7 atm (221,29 bar) nhiệt độ sôi đạt 374,15°C và nhiệt lượng sinh hơi bằng 0 vì tại trạng thái tới hạn không còn quá trình sôi diễn ra.
Quá trình truyền nhiệt từ sản phẩm cháy sang môi chất diễn ra chủ yếu qua ba cơ chế trao đổi nhiệt: bức xạ, đối lưu và dẫn nhiệt Hiệu quả của các cơ chế này phụ thuộc vào tính chất vật lý của môi trường và của môi chất tham gia, đồng thời bị ảnh hưởng bởi hình dạng của lò hơi và các thiết bị có trong lò.
Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo của lò hơi có bao hơi
Trên hình 1.1 là lò hơi có bao hơi đốt phun, đây là loại lò hơi được sử dụng phổ biến hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện ở nước ta và trên thế giới, với công suất phát điện tương đối lớn Lò hơi gồm các bộ phận chính như bảng 1.2 liệt kê, giúp hình dung cấu tạo cơ bản và chức năng của từng thành phần trong hệ thống.
2.2.3.Các hệ thống điều chỉnh trong lò hơi nhà máy nhiệt điện
Vận hành lò hơi là một công tác thao tác điều khiển phức tạp, phải đồng bộ với quá trình vận hành chung của toàn bộ nhà máy Mỗi sự thay đổi ở bất cứ khâu nào trong chu trình sản xuất đều dẫn đến sự điều chỉnh chế độ vận hành của lò hơi và đòi hỏi các thao tác điều khiển tương ứng được thực hiện chính xác Việc phối hợp giữa các bộ phận trong nhà máy là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất, an toàn và sự liên tục của quá trình đốt và cung cấp nhiệt cho hệ thống.
Nghiên cứu về hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện
Trong quá trình vận hành lò hơi, mức nước bao hơi luôn dao động mạnh và đòi hỏi người vận hành phải điều chỉnh kịp thời và duy trì ở mức cho phép Tuy nhiên, do lò có nhiều thông số cần theo dõi nên người vận hành không thể điều chỉnh liên tục để giữ ổn định mức nước trong bao hơi Tự động điều chỉnh mức nước bao hơi là một trong những khâu yếu của hệ thống điều khiển tự động lò hơi Nhiệm vụ của bộ điều chỉnh là ổn định mức nước bao hơi thông qua việc đảm bảo tương quan giữa lượng hơi sinh ra và lượng nước cấp vào bao hơi Vòng điều khiển này duy trì mức nước bao hơi ở giá trị mong muốn khi tải của lò thay đổi bằng cách điều chỉnh lưu lượng nước cấp đến bao hơi Lưu lượng nước cấp phụ thuộc vào độ mở của van cấp nước và áp suất cấp nước, nhìn chung được điều chỉnh bằng tốc độ của bơm cấp Tuy nhiên, lưu lượng nước cấp được điều chỉnh bởi hai van điều chỉnh và tốc độ bơm cấp được điều chỉnh để duy trì chênh lệch áp đầu vào của hai van điều chỉnh và đầu vào của bộ hâm.
1.3.2.Mục tiêu của nghiên cứu
Thiết kế chiến lược điều khiển phản hồi cho mức chất lỏng trong bình chứa quá trình được thực hiện bằng bộ điều khiển mờ kết hợp tham số PID, có cấu trúc như hình 1.2, nhằm tối ưu hóa vận hành và an toàn hệ thống Bình chứa chất lỏng đóng vai trò làm bình chứa trung gian, đảm bảo cột áp và duy trì hoạt động bình thường cho lò hơi của nhà máy nhiệt điện; mục tiêu điều khiển là giảm tối đa tương tác và nhiễm, giúp hệ thống vận hành ổn định, trơn tru và an toàn Do đó, mức chất lỏng trong bình chứa chỉ cần được kiểm soát trong phạm vi an toàn Ngược lại, khi bình chứa đóng vai trò là bình chứa quá trình, giá trị mức được duy trì ở mức đặt với độ chính xác cao.
1.3.3.Dự kiến các kết quả đạt được
Bài viết mô tả cách lập cấu trúc điều khiển bằng PID và ứng dụng điều khiển mờ để chỉnh định tham số PID, nhằm tối ưu hóa đáp ứng của quá trình điều khiển Để kiểm chứng lý thuyết, kết quả được mô phỏng trên MATLAB-Simulink, giúp đánh giá sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm cũng như phân tích ảnh hưởng của các tham số lên biên độ, thời gian đáp ứng và sự dao động của hệ thống Quá trình mô phỏng bao gồm thiết kế bộ điều khiển PID, tích hợp cơ chế điều khiển mờ để tự động hiệu chỉnh tham số và thực hiện các bài toán nhạy cảm nhằm tối ưu hóa hiệu suất Tiếp đó, thí nghiệm được tiến hành trên mô hình điều khiển quá trình tại trung tâm thí nghiệm của trường để kiểm tra tính khả thi và độ tin cậy của các phương pháp đã đề xuất trước khi triển khai thực tế.
Kết luận chương 1
Trên cơ sở các đặc điểm tổng quát của một lò hơi trong nhà máy nhiệt điện, luận văn đề xuất đi sâu nghiên cứu một đối tượng điều khiển mức nước trong bao hơi, đây là một trong các nhiệm vụ điều khiển cốt lõi của lò hơi Giản đồ công nghệ này cho thấy ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị công nghiệp, đặc biệt là trong ngành năng lượng và hóa chất Bài viết nhấn mạnh vai trò của kiểm soát mức nước nhằm đảm bảo an toàn, ổn định vận hành và nâng cao hiệu suất cho hệ thống lò hơi Các phương pháp điều khiển và phân tích ứng dụng được thảo luận để tối ưu hóa hoạt động ở nhà máy nhiệt điện và các ứng dụng công nghiệp liên quan.
XÂY DỰNG BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN MỨC LÒ HƠI CHO MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
Giới thiệu về mô hình hệ thống điều khiển mức lò hơi trong phòng thí nghiệm
Mô hình hệ thống điều khiển quá trình nhà máy nhiệt điện được xây dựng nhằm mô phỏng các quá trình cơ bản trong nhà máy, giúp sinh viên có cái nhìn khái quát về hoạt động của một nhà máy nhiệt điện, các quy trình công nghiệp và các thiết bị đo lường, điều khiển thường gặp Các đối tượng sử dụng trong mô hình bao gồm bộ cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến mức, cảm biến lưu lượng, động cơ và các thiết bị điều khiển khác; đây là những thành phần cơ bản và phổ biến trong công nghiệp, giúp sinh viên hình dung thực tế về thiết bị và hệ thống Mô hình này hỗ trợ công tác giảng dạy, nghiên cứu và thiết kế, vận hành, tối ưu hóa hệ thống điều khiển quá trình trong nhà máy nhiệt điện, cung cấp dữ liệu thực tế để phân tích, thử nghiệm và nâng cao hiệu suất cho sinh viên và kỹ sư tương lai.
Dựa trên các bài toán thực tế của nhà máy nhiệt điện, sinh viên sẽ được phân tích và chuyển hóa thành các bài toán điều khiển các đối tượng trong quá trình vận hành của nhà máy Áp dụng các bài toán điều khiển đã học vào các bài toán thực tế nhằm tối ưu hóa hiệu suất, đảm bảo an toàn và tăng tính đáng tin cậy của hệ thống nhà máy nhiệt điện.
Sinh viên có thể đề xuất nhiều thuật toán điều khiển khác nhau cho các đối tượng trong mô hình và phát triển chương trình điều khiển dựa trên các thuật toán đó Việc phân tích cấu trúc điều khiển một cách trực quan thông qua hệ giám sát quá trình giúp đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình vận hành Ngoài ra, sinh viên có thể tiếp cận bộ phần mềm lập trình và thiết kế hệ giám sát quá trình trong nhà máy bằng bộ phần mềm của hãng ABB, một công cụ được sử dụng rộng rãi trong thiết kế và điều khiển công nghiệp Nhờ quá trình làm quen với các kỹ năng cơ bản của bộ công cụ này, sinh viên có thể ứng dụng ngay vào thực tế công nghiệp sau khi tốt nghiệp.
Một số hình ảnh về mô hình hệ thống điều khiển mức lò hơi trong phòng thí nghiệm:
Hình 2.1: Cấu trúc thí nghiệm điều khiển mức nước lò hơi
Hình 2.2: Bình mức trong thí nghiệm điều khiển mức nước lò hơi
Hình 2.3: Giao diện trong thí nghiệm điều khiển mức nước lò hơi
2.1.2 Phân tích nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện và các đối tượng điều khiển
Nguyên lý phát điện của nhà máy nhiệt điện là chuyển hóa nhiệt năng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu trong lò hơi thành cơ năng quay của tuabin, từ đó chuyển hóa cơ năng của tuabin thành điện năng qua máy phát điện Nhiệt năng được đưa tới tuabin bằng hơi nước, đây chỉ là môi trường truyền nhiệt và vẫn phải đảm bảo chất lượng như áp suất và độ khô trước khi vào tuabin để sinh công Mức nhiệt cung cấp càng lớn thì lượng điện phát ra càng lớn, ngược lại càng nhỏ Điện áp tại đầu cực máy phát điện được nâng lên qua hệ thống trạm biến áp trước khi hòa vào lưới điện quốc gia.
Quá trình chuyển hóa năng lượng từ năng lượng hóa học trong nhiên liệu sang nhiệt năng được thực hiện thông qua quá trình đốt cháy Nhiệt năng phát sinh được dùng để sản xuất hơi nước bão hòa, môi trường truyền nhiệt từ lò đốt đến tuabin Tại tuabin, nhiệt năng biến đổi thành cơ năng và từ cơ năng được chuyển hóa thành điện năng Quá trình này có thể được thể hiện qua một mô hình khái niệm: năng lượng hóa học trong nhiên liệu → đốt cháy giải phóng nhiệt → hơi nước bão hòa làm môi trường truyền nhiệt → tuabin biến nhiệt thành cơ năng → máy phát điện biến cơ năng thành điện năng.
Hình 2.4: quáá́ trình chuyển hóa năng lượng
Trong đó: Bài toán điều khiển tập trung chủ yếu tại phần lò hơi và bao hơi.
* Lò hơi - Hệ điều khiển lò hơi a Lò hơi:
Cấu tạo chung của lò hơi nhằm thực hiện hai nhiệm vụ chính: chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt năng của sản phẩm cháy để đốt nhiên liệu và tạo ra khí cháy có nhiệt độ cao, và cấp nước vào lò để nhận nhiệt từ sản phẩm cháy, biến nước cấp thành nước nóng, nước sôi hoặc hơi ở trạng thái bão hòa hoặc quá nhiệt với áp suất và nhiệt độ phù hợp yêu cầu sử dụng Vì vậy, lò hơi được cấu thành từ các hệ thống chính như hệ thống đốt nhiên liệu, hệ thống trao đổi nhiệt và hệ thống cấp nước, cùng với các cơ cấu điều khiển và an toàn để vận hành hiệu quả và ổn định.
Hệ thống cung cấú́p và đốt cháy nhiên liệu
Hệ thống cung cấú́p không khí và thải sản phẩm cháy Hệ thống xử lý nước và cấú́p nước làm mát
Hệ thống sản xuấú́t và cấú́p nước nóng cho quá trình sinh hơi
Hệ thống đo lường, điều khiển Hệ thống an toàn
Hệ thống lò: Khung lò, tường lò, cách nhiệt,… b Hệ điều khiển lò hơi:
Công suất phát điện của nhà máy không cố định mà thay đổi theo nhu cầu sử dụng điện Công suất này phụ thuộc vào lưu lượng hơi đưa tới tuabin của máy phát: khi lưu lượng hơi tăng, công suất phát điện tăng lên và ngược lại Sự truyền nhiệt nhiều hơn khi lưu lượng hơi lớn tạo ra nhiều công suất hơn; vì vậy sản lượng điện phát ra càng lớn Để đáp ứng mức công suất yêu cầu, lưu lượng hơi vào tuabin phải tăng lên, đồng thời nhiên liệu cấp cho lò phải được tăng và nước cấp vào lò cũng tăng nhằm duy trì lượng hơi cần thiết.
Lò hơi là một hệ thống có nhiều đầu vào và đầu ra Các đầu vào gồm nhiên liệu, không khí và nước cấp; các đầu ra gồm hơi nước bão hòa thoát ra từ buồng hơi, lượng nước dư thải xuống, cùng khói và xỉ từ quá trình cháy Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra rất mật thiết: mỗi thay đổi về công suất hoặc sản lượng phát điện đều đòi hỏi điều khiển đồng bộ lượng nhiên liệu cấp vào, nước cấp và không khí để duy trì hiệu suất và an toàn vận hành.
Hệ thống điều khiển lò hơi của nhà máy nhiệt điện là một hệ thống phức tạp, có chức năng giám sát và điều khiển hàng trăm tham số quá trình để đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả và liên tục Với cấu trúc đa tầng và nhiều mạch vòng điều khiển khác nhau, hệ thống này cho phép tự động hoá và điều chỉnh linh hoạt các tham số vận hành nhằm tối ưu hoá quá trình đốt và trao đổi nhiệt.
Hình 2.5 : Cấu trúc điều khiển lò hơi
* Bao hơi - Hệ điều khiển bao hơi a Bao hơi:
Hơi nước là đối tượng mang nhiệt năng, được dẫn tới tuabin để sinh công nhờ quá trình chuyển hóa từ nhiệt năng thành cơ năng Quá trình này chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng cơ học, giúp tuabin quay và tạo ra công suất cho hệ thống Bao hơi là thiết bị gom hơi nước, tập trung và đưa hơi nước tới tuabin, tối ưu hóa luồng hơi và hiệu suất vận hành.
Nước từ bao hơi được cấp quanh lò bằng các ống dẫn đặt ở vị trí cao nhất của lò, hình thành buồng đốt từ các dàn ống sinh hơi và được đốt nóng trực tiếp bởi lửa trong lò để nước sôi và sinh hơi Hơi nước từ các dàn ống sinh hơi tập trung vào các ống góp trên hai bên sườn trần lò và được dẫn lên bao hơi qua các đường ống; tại bao hơi, hơi nước được đưa qua máy lọc hơi để loại bỏ nước còn lẫn, sau đó vào bộ quá nhiệt để khử ẩm và đảm bảo chất lượng hơi trước khi đưa vào tuabin Hệ thống điều khiển bao hơi theo dõi và điều chỉnh lưu lượng, áp suất và nhiệt độ của hơi nhằm đảm bảo vận hành ổn định và an toàn cho cả lò và tuabin.
Hơi nước là môi chất truyền năng lượng quan trọng trong các hệ thống công nghiệp, giúp truyền nhiệt và biến đổi năng lượng một cách hiệu quả Để đảm bảo hiệu suất biến đổi năng lượng tối ưu, cần quan tâm tới các thông số cơ bản của hơi nước như lưu lượng hơi, nhiệt độ hơi và áp suất sinh hơi Việc kiểm soát chính xác các tham số này sẽ tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt, giảm tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu suất vận hành của hệ thống.
Lưu lượng hơi là thông số biến đổi theo phụ tải Lưu lượng hơi dẫn vào tuabin càng nhiều thì công sinh ra càng lớn và công suấú́t máy phát càng tăng lên và ngược lại Ở mỗi giá trị công suấú́t 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 quá trình cháy trong lò hơi và điều chỉnh van tuabin Khi điều chỉnh nhiên liệu thì đồng thời tác động lên bộ điều khiển không khí cho phù hợp với chế độ kinh tế nhấú́t 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 cấú́p, cũng như sự biến động của nhiên liệu, … Những thay đổi đó là tín hiệu tác động trởở̉ lại bộ điều chỉnh nhiên liệu để thay đổi lượng nhiên liệu từ đó duy trì lượng hơi ổn định theo yêu cầu.
Trong hệ thống, nhiệt độ hơi quá nhiệt là thông số quan trọng cần được điều chỉnh để duy trì ở mức ổn định cho mọi giá trị tải Việc giữ nhiệt độ hơi ở một giá trị cố định nhằm tiết kiệm năng lượng, tránh hư hại đường ống do dao động nhiệt và giảm tổn thất nhiệt năng do sự trao đổi nhiệt giữa hơi và đường ống dẫn hơi Hơi bão hòa ra khỏi bao hơi có nhiệt độ không ổn định do nhiều nguyên nhân, như sự thay đổi tải của lò và biến đổi của bề mặt truyền nhiệt Áp suất hơi cũng là một thông số của hệ điều khiển, với mọi giá trị tải áp suất hơi được điều chỉnh ở một mức ổn định.
Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển điều khiển mức trong lò hơi nhà máy nhiệt điện
Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có sẵn hoặc cần được xây dựng Nó phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nhất định nhằm phục vụ mục đích sử dụng cụ thể Mô hình không chỉ giúp ta hiểu rõ hơn về thế giới thực mà còn cho phép thực hiện các nhiệm vụ phát triển mà không cần sự có mặt của quá trình và thiết bị thực Đồng thời, mô hình hỗ trợ phân tích và kiểm chứng tính đúng đắn của một giải pháp thiết kế một cách thuận tiện và tiết kiệm chi phí trước khi triển khai.
Có thể phân loại mô hình thành hai phạm trù chính: mô hình vật lý và mô hình trừu tượng Mô hình vật lý là bản sao thu nhỏ và đơn giản hóa của hệ thống thực, được xây dựng trên nền tảng vật lý–hóa học, nhằm mô phỏng các quá trình và thiết bị đang hoạt động trong thực tế Trong khi đó, mô hình trừu tượng tập trung vào các khái niệm và mối quan hệ giữa các thành phần, bỏ qua các yếu tố vật lý cụ thể, giúp phân tích và dự đoán hành vi của hệ thống ở mức trừu tượng hơn.
Mô hình vật lý là một công cụ hữu ích cho đào tạo cơ bản và nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực điều khiển quá trình, giúp nắm bắt và trực quan hóa đặc tính của hệ thống Tuy nhiên, nó ít phù hợp cho các công việc thiết kế và phát triển mà các kỹ sư điều khiển quá trình thường thực hiện, vì ở giai đoạn này các phương pháp mô phỏng, mô hình hóa số và tối ưu hóa mang lại hiệu quả cao hơn để đạt được hiệu suất và tối ưu hóa kết quả thiết kế.
Mô hình trừu tượng là một ngôn ngữ bậc cao dùng để mô tả một cách logic các quan hệ chức năng giữa các thành phần của hệ thống Việc xây dựng mô hình trừu tượng được gọi là mô hình hoá, là quá trình trừu tượng hóa thế giới thực bằng ngôn ngữ mô hình hoá và bỏ qua các chi tiết không thiết yếu Trong kỹ thuật điều khiển, ta tập trung trước hết vào bốn dạng mô hình trừu tượng sau, nhằm phục vụ phân tích, thiết kế và tối ưu hóa hệ thống điều khiển.
Trong lĩnh vực thiết kế và phân tích hệ thống, mô hình đồ họa được thể hiện qua các ngôn ngữ như lưu đồ công nghệ, lưu đồ P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri và biểu đồ logic Những ngôn ngữ mô hình hóa đồ họa này thuận tiện cho việc biểu diễn trực quan một hệ thống với cấu trúc liên kết và sự tương tác giữa các thành phần Nhờ mô hình đồ họa, luồng dữ liệu, chức năng và quy trình vận hành được mô tả rõ ràng hơn, từ đó hỗ trợ thiết kế, phân tích và tối ưu hệ thống một cách hiệu quả.
* Mô hình toáá́n học: Với ngôn ngữ của toán họọ̣c như phương trình vi phân
Mô hình bậc cao có khả năng biểu diễn mạnh mẽ nhưng khó được áp dụng cho phân tích và thiết kế hệ thống do tính phức tạp Các thành phần bao gồm phương trình đại số, hàm truyền đạt và phương trình trạng thái cung cấp khung mô hình lý thuyết cho phân tích hệ thống Việc áp dụng một cách nhất quán cho phân tích và thiết kế hệ đơn biến và đa biến cho phép đánh giá mục tiêu, dù nhận dạng trực tiếp gặp khó khăn, mô hình nhạy cảm với sai lệch tham số và ít được dùng cho điều khiển quá trình Mô hình toán học thích hợp cho mục đích nghiên cứu sâu về đặc tính của từng thành phần cũng như bản chất của các mối liên kết và sự tương tác giữa chúng, từ đó làm sáng tỏ cách các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và ổn định của hệ thống.
Mô hình suy luận là một hình thức biểu diễn thông tin và các đặc tính của một hệ thống thực tế dưới dạng các luật suy diễn, được diễn đạt bằng các ngôn ngữ bậc cao Những luật này cho phép mô hình hóa quá trình suy luận, giải thích hành vi của hệ thống và dự đoán kết quả trong các tình huống khác nhau, từ đó nâng cao khả năng ra quyết định, tự động hóa và tương tác của các hệ thống thông minh.
Mô hình máy tính là tập hợp các chương trình phần mềm dùng để mô phỏng các đặc tính của hệ thống theo những khía cạnh được quan tâm, nhằm đem lại cái nhìn trực quan và hỗ trợ phân tích Mô hình này được xây dựng bằng các ngôn ngữ lập trình và dựa trên các mô hình toán học hoặc mô hình suy luận, giúp mô phỏng chính xác quy trình vận hành, dự báo hiệu suất và hỗ trợ quyết định trong thiết kế và vận hành hệ thống.
Mô hình toán học, mô hình suy luận và mô hình máy tính được xếp vào phạm trù mô hình định lượng, trong khi mô hình đồ họa thuộc phạm trù mô hình định tính Mô hình định tính thường tập trung vào cấu trúc và mối liên hệ giữa các thành phần của hệ thống dưới góc độ định tính Ngược lại, một mô hình định lượng cho phép thực hiện các phép tính để làm rõ các mối quan hệ định lượng giữa các đại lượng đặc trưng trong hệ thống và các quan hệ tương tác giữa hệ thống với môi trường bên ngoài.
Mặc dù cả bốn dạng mô hình được đề cập ở trên đều có vai trò quan trọng trong lĩnh vực điều khiển quá trình, các mô hình toán học đóng vai trò then chốt trong hầu hết các nhiệm vụ phát triển Các mô hình toán học giúp cán bộ công nghệ và cán bộ điều khiển thực hiện các mục tiêu thiết kế và vận hành hiệu quả thông qua mô phỏng, phân tích, tối ưu và kiểm chứng hệ thống.
- Hiểu rõ hơn về quá trình sẽ cần phải điều khiển và vậnhành.
- Tối ưu hoá thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệthống.
- Thiết kế sách lược và cấú́u trúú́c điềukhiển.
- Lựa chọọ̣n bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điềukhiển.
- Phân tích và kiểm chứng các kết quả thiếtkế.
- Mô phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo vậnhành.
Xác định rõ mục đích sử dụng của mô hình là bước nền hết sức cần thiết, vì mục tiêu sử dụng quyết định lựa chọn phương pháp mô hình hoá phù hợp cũng như mức độ chi tiết và độ chính xác mà mô hình cần đạt được Khi mục đích được làm rõ, có thể chọn phương pháp mô hình hoá tối ưu, giới hạn phạm vi và xác định các yếu tố dữ liệu quan trọng, từ đó tối ưu hóa hiệu suất và chi phí triển khai Việc xác định mục đích cũng giúp thiết lập tiêu chí đánh giá và quy trình kiểm tra mô hình, đảm bảo sản phẩm cuối cùng đáp ứng đúng yêu cầu và ngữ cảnh ứng dụng.
2.2.2.Cấu trúc tổng quát một hệ điều khiển quá trình
Cấú́u trúú́c cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình được minh họọ̣a như hình 2.6:
Hình 2.6: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quáá́ trình
2.2.3: Thiết bị đo a,Cấu trúc cơ bản:
Thiết bị đo quá trình có nhiệm vụ cung cấp thông tin về diễn biến của quá trình kỹ thuật và cho đầu ra là tín hiệu chuẩn, phục vụ cho công tác giám sát và điều khiển Cấu trúc cơ bản của thiết bị đo quá trình được minh họa tại hình 2.2, bao gồm cảm biến, mạch đo và bộ xử lý tín hiệu nhằm chuyển đổi thông tin vật lý thành tín hiệu chuẩn có thể sử dụng được trong hệ thống.
Hình 2.7:Cấu trúc cơ bản của một thiếá́t bị đo quáá́ trình
Thành phần cốt lõi của một thiết bị đo là cảm biến, có chức năng chuyển đổi một đại lượng vật lý như nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng hoặc nồng độ thành một tín hiệu điện hoặc khí nén chuẩn Cảm biến có thể gồm một hoặc nhiều phần tử cảm biến, mỗi phần tử là một bộ chuyển đổi từ đại lượng này sang một đại lượng khác dễ xử lý hơn Tín hiệu từ cảm biến thường rất nhỏ, dễ bị nhiễu và phi tuyến với đại lượng đo, nên sau phần tử cảm biến cần các khâu khuếch đại, lọc nhiễu, điều chỉnh phạm vi, bù sai lệch và tuyến tính hóa Những chức năng này được thực hiện trong một bộ chuyển đo chuẩn, đóng vai trò là khâu điều hòa tín hiệu: nhận tín hiệu đầu vào từ cảm biến và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn để có thể truyền xa và phù hợp với đầu vào của bộ điều khiển Trong thực tế, nhiều bộ chuyển đo chuẩn tích hợp luôn cả phần tử cảm biến, vì vậy khái niệm "Transmitter" cũng được dùng để chỉ các thiết bị đo.
Chất lượng và khả năng ứng dụng của một thiết bị đo phụ thuộc vào các đặc tính cấu thành của nó, đặc biệt là đặc tính vận hành, đặc tính tĩnh và đặc tính động học Đặc tính vận hành đề cập đến phạm vi đo, độ nhạy và tác động của môi trường lên quá trình đo; đặc tính tĩnh mô tả mối quan hệ giữa đại lượng đầu vào và tín hiệu đầu ra ở trạng thái xác lập, quyết định độ chính xác khi giá trị đo không đổi hoặc thay đổi rất ít; đặc tính động học cho biết cách tín hiệu ra phản ứng theo thời gian khi đầu vào biến thiên, phản ánh khả năng đáp ứng thời gian của thiết bị Như vậy, độ chính xác và phạm vi ứng dụng của thiết bị đo được xác định bởi sự cân bằng giữa các đặc tính tĩnh và động, đồng thời được ảnh hưởng bởi các yếu tố vận hành như điều kiện môi trường và thiết lập vận hành.
Ngược lại, đặc tính động họọ̣c liên quan tới khả năng phản ứng của thiết bị đo khi đại lượng đo thay đổi nhanh. b Đặc tínhđộng
Khi giá trị của đại lượng đo thay đổi ít hoặc rất chậm, tín hiệu đo phụ thuộc chủ yếu vào giá trị đầu vào và ta chỉ cần quan tâm tới đặc tính tĩnh của thiết bị Tuy nhiên tín hiệu đầu ra sẽ không đáp ứng ngay với sự biến đổi tương đối nhanh của đại lượng đo; mối quan hệ giữa đầu ra với đại lượng đo và 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 mô tả bằng một phương trình vi phân cấp một hoặc cấp hai Với giả thiết thiết bị đo là tuyến tính, đặc tính động học của nó có thể được biểu diễn bằng một khâu quán tính cấp nhất.
Hoặc một khâu ổn định:
Thiết kế bộ điều khiển PID
2.3.1 Mô hình toán học của đối tượng công nghệ a Sơ đồ cấu trúc của bộ điều chỉnh mức
Bộ điều chỉnh có nhiệm vụ duy trì mức nước ởở̉ mức ổn định thông qua sự cân
SVTH : Ngô Quang Nghiệp Trang: 42
- b Xác định hàm truyền đạt của các phần tử trong các sơ đồ cầu trúc
Từ sơ đồ khối bộ điều chỉnh mức lò hơi ta có sơ đồ cấú́u trúú́c như sau:
Hình 2.16: Sơ đồ cấu trúc bộ điều chỉnh mức lò hơi.
Tín hiệu phản hồi đưa vào bộ điều chỉnh gồm:
+ Phản hồi lưu lượng nước cấú́p c) Hàm truyền đạt của khâu truyền động điện W 3
Hệ thống truyền động điện của bộ điều chỉnh cấp nước lò hơi là một động cơ một chiều (DC) quay van, có công suất 1 kW và điện áp định mức 220 V Đầu vào của hệ thống là điện áp, còn đầu ra là vận tốc góc của động cơ, cho phép điều khiển lưu lượng nước và vận hành van một cách chính xác.
U đm = 220V Trong thiết kế bộ điều chỉnh mức nước cho lò hơi, hệ thống được bố trí có khả năng đảo chiều để đáp ứng yêu cầu công nghệ Theo các tham khảo [10, 11], các thông số kỹ thuật của hàm truyền đạt được xác định và truyền tải đầy đủ.
T 1 T 2 s d) Hàm truyền đạt khâu tích phân
Trong hệ điều khiển van, tín hiệu vào là vận tốc góc và tín hiệu ra của khâu truyền động điện là tốc độ, do đó cần thêm một khâu tích phân để khớp hai đại lượng này Khâu tích phân có hàm truyền đạt đặc trưng cho quá trình điều khiển, cho phép tích lũy sai số theo thời gian và cải thiện đáp ứng động lực học của hệ Hàm truyền đạt của khâu tích phân được thể hiện trong mục e) Hàm truyền đạt của van, mô tả cách van chuyển đổi tín hiệu từ vận tốc góc thành động lực và điều khiển vận tốc một cách ổn định và chính xác.
Trong hệ điều khiển van, tín hiệu vào được xác định bởi vận tốc góc và tín hiệu ra là lưu lượng nước Mối quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào của van là một khâu quán tính bậc nhất, tức là có độ trễ giữa đầu vào và đầu ra và đáp ứng không đồng thời Hàm truyền của hệ có dạng quán tính cấp một, thường được biểu diễn dưới dạng G(s) = K / (τs + 1), với K là hệ số biên độ và τ là thời gian đáp ứng Mô hình này cho phép phân tích và thiết kế điều khiển nhằm điều chỉnh lưu lượng nước dựa trên vận tốc góc đầu vào, từ đó tối ưu hóa đáp ứng động của hệ.
Trong đó: k 5 = 0,5: là hệ số khuếch đại của van.
. f) Hàm truyền đạt của lò hơi
Tín hiệu vào của lò hơi là lưu lượng nước, còn tín hiệu ra là lưu lượng hơi được sinh ra Quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào cho thấy lò hơi có một khâu quán tính bậc nhất có độ trễ, vì vậy hàm truyền của hệ thống có dạng của một khâu quán tính kèm theo độ trễ Những đặc trưng này là căn cứ để mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển lò hơi, giúp hiểu rõ cách biến đổi của lưu lượng nước thành lưu lượng hơi và tối ưu hóa đáp ứng của hệ thống.
Trong đó: k 6 = 15: là hệ số khuếch đại của Balong.
T 6 : là hằng số thời gian ; = 6
. g) Hàm truyền đạt của cảm biến đo lưu lượng nước
Trong hệ thống cảm biến đo lưu lượng nước, tín hiệu vào là lưu lượng nước và tín hiệu ra là dòng điện một chiều 0-5 mA Do đó, hàm truyền đạt của cảm biến đo lưu lượng nước là tuyến tính, cho mối quan hệ tỷ lệ giữa lưu lượng nước và dòng 0-5 mA Việc nắm vững đặc tính này giúp hiệu chuẩn và giải mã tín hiệu cảm biến hiệu quả trong các ứng dụng đo lưu lượng nước.
Trong đó: I max = 5mA: là dòng đầu ra lớn nhấú́t của cảm biến.
Q max = 63 cm 3 /s là lưu lượng lớn nhấú́t của cảm biến. f) Hàm truyền đạt của bộ cảm biến đo mức nước
Cảm biến đo mức nước có tín hiệu vào là mức nước và tín hiệu ra là dòng điện một chiều từ 0÷5mA Nếu hàm truyền đạt của cảm biến đo mức nước là tuyến tính (khâu tỷ lệ), thì mức nước càng cao sẽ cho dòng 0÷5mA tỷ lệ với mức nước, giúp đo lường và điều khiển tự động hóa hoạt động chính xác và ổn định.
Trong đó: I max = 5mA: là dòng đầu ra lớn nhấú́t của cảm biến.
H max = 630 cm: là mức nước lớn nhấú́t của cảm biến.
2.3.2 Thiết kế bộ điều khiển kinh điển cho mạch vòng trong
* Sơ đồ mạch vòng trong như sau:
Hình 2.17: Sơ đồ mạch vòng điểu khiển lưu lượng nước
Dùng tiêu chuẩn đối xứng để thiết kế mạch vòng điều khiển lưu lượng nước.
Ta coi đối tượng có 2 hằng số thời gian lớn nên bộ điều khiển là PID có dạng
Với n d =2; T b =0.25, T 1 =T 2 =1. h/ số thời gian tích phân.
T d =8T b = 8*0.25 = 2 hằng số thời gian vi phân. Bằng tính toán ta xác định được các hệ số của bộ điều khiển PID như sau:
2.3.3 Thiết kế bộ điều khiển cho mạch vòng ngoài
Hình 2.18: Sơ đồ mạch vòng điểu khiển mức nước.
Tiến hành xấú́p xỉ mạch vòng trong trên miền tần số thấú́p ta có:
Và ta tiến hành xấú́p xỉ hằng số trễ như sau:
Như vậy đối tượng của hàm truyền ngoài có dạng như sau: Đối tượng có 1 hằng số thời gian lớn nên bộ điều khiển là PI có dạng:
Kết quả mô phỏng mạch vòng ngoài :
2.3.4 Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thựcnghiệm a Cấu hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm:
Hình 2.20: Giao diện kếá́t quả thí nghiệm điều khiển mức nước lò hơi b.Các kết quả thực nghiệm thực nghiệm: