nghiên cứu mô hình điều khiển quá trình cho lò phản ứng. thiết kế hệ thống điều khiển cascade cho lò

Trong công nghiệp, kỹ thuật điều khiển quá trình được ứngdụng để điều khiển các công đoạn của quá trình tạo thành sản phẩm công nghiệp.Các sản sản phẩm được tạo ra hầu hết dựa trên các p

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ

LÒ PHẢN ỨNG 1.1 KHÁI NIỆM VỀ LÒ PHẢN ỨNG

1.1.1 Lịch sử lò phản ứng

Các khái niệm về một phản ứng dây chuyền hạt nhân lần đầu tiên được nhận

ra ở Hungary bởi nhà khoa học Leó Szilárd n năm 1933 Ông đã nộp một bằngsáng chế cho ý tưởng của ông về một lò phản ứng hạt nhân đơn giản vào năm sau

Các lò phản ứng hạt nhân nhân tạo đầu tiên, Chicago Pile-1 , được xây dựngtại Đại học Chicago bởi một nhóm do Enrico Fermi vào năm 1942 Nó đạt đượccriticality ngày 02 tháng 12 năm 1942 lúc 03:25 Cơ cấu lò phản ứng hỗ trợ đãđược làm bằng gỗ, trong đó hỗ trợ một đống các khối than chì, nhúng vào trong đóđược tự nhiên Uranium-oxide 'pseudospheres' Nguồn sáng tạo cho một lò phảnứng như vậy được cung cấp bởi nhà phát hiện bởi Lise Meitner , Fritz Strassman vàOtto Hahn trong năm 1938 bằng cách bắn phá uranium bằng các nơtron (được cungcấp bởi một Alpha-on phản ứng nhiệt hạch Berili-, một " neutron howitzer ") sảnxuất một Bari dư lượng, mà họ lý luận đã được tạo ra bởi các fissioning của hạtnhân Uranium các nghiên cứu tiếp theo cho thấy một số nơtron cũng đã được pháthành trong fissioning, làm cho có sẵn cơ hội cho một phản ứng dây chuyền

1.2 MÔ TẢ CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG

1.2.1.Lò phản ứng hat nhân trong thực tế

Ngày nay, công nghệ lò phản ứng hạt nhân phát triển rất phong phú và đa dạng.Hiện có trên 10 loại lò đang được sử dụng, nghiên cứu phát triển

Lò nước nhẹ: (bao gồm cả lò nước sôi - BWR và lò nước áp lực - PWR):

Đóng vai trò chủ đạo, chiếm tỷ trọng lớn tại nhiều nước có ĐHN Đây là công nghệkhông những đã được phát triển, hoàn thiện và thương mại hóa rộng rãi trên thếgiới mà còn là công nghệ tiềm năng cho những cải tiến mạnh mẽ trong tương laigần Các lò nước nhẹ công suất lớn đang được nâng cấp thành các lò cải tiến vớicông suất lớn hơn

Lò nước nặng: Bắt đầu phát triển từ Canada, cho đến nay công nghệ lò này

cũng được áp dụng tại nhiều nước, đặc biệt một số nước bắt đầu phát triển công nghệ hạt nhân từ kiểu nước nặng như Trung Quốc, Ấn Độ chú trọng phát triển lò nước nặng và đã tự chủ trong công nghệ này Gần đây nhất, Rumani đã nhập công nghệ này và xây dựng hai tổ máy Lò nước nặng có chu trình nhiên liệu linh hoạt,

có thể sử dụng urani tự nhiên, urani có độ giàu thấp hoàn nguyên từ tái chế nhiên liệu đã cháy của PWR, nhiên liệu oxide hỗn hợp, thorium

Lò khí nhiệt độ cao: Được phát triển ở Mỹ, Anh và Tây Đức, lò này sử dụng

Graphit làm chậm nơtron, heli làm chất tải nhiệt và nhiên liệu là viên urani-thorium

có độ giàu cao được bao bọc bởi graphit Tuy nhiên, công nghệ lò khí hiện nay dường như chững lại Các hướng nghiên cứu phát triển tập trung vào lò khí nhiệt độcao, lò tầng cuội kiểu nhiên liệu viên tròn với vỏ bọc Graphite Một khả năng lớn cho việc ứng dụng lò khí là dùng để sản xuất Hydro cho pin nhiên liệu

Hình1.1 Lò phản ứng hạt nhân trong thực tế

Lò nơron nhanh: Sử dụng urani hoặc plutoni có độ giàu cao làm nhiên liệu,

vùng hoạt được bao bọc xung quanh bởi urani tự nhiên và kim loại lỏng được dùng làm chất tải nhiệt Tổ máy dùng lò nơtron nhanh có 3 vòng tuần hoàn, vòng 1 qua

vùng hoạt, vòng 2 qua trung gian và vòng 3 là vòng của chất sinh công, qua tuốc bin

Hệ lò dùng máy gia tốc: Một phát triển gần đây là kết hợp công nghệ lò

phân hạch và máy gia tốc để phát điện và chuyển hóa các đồng vị sống lâu trong chất thải phóng xạ Chùm proton năng lượng cao đập vào bia kim loại nặng làm sảnsinh nơtron

1.2.1 Lò phản ứng hạt nhân trong phòng thí nghiệm

a.Lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri (sodium-cooled fast reactor – SFR

Hình 1.2 Lò phản ứng nhanh làm mát bằng natriMục tiêu ban đầu của chương trình lò SFR (xem hình 1.2) là quản lý các actinide, cắt giảm các sản phẩm thải, và tiêu thụ uran một cách hiệu quả hơn Tuy nhiên theo

dự kiến, các thiết kế lò trong tương lai không chỉ sản xuất ra điện năng mà còn cung cấp nhiệt, sản xuất hyđro, và có thể còn để khử mặn nữa Phổ nơtron nhanh của lò SFR có thể cho phép sử dụng các vật liệu phân hạch hữu ích, kể cả uran yếu,một cách hiệu quả hơn nhiều so với các lò LWR hiện nay Ngoài ra, hệ thống SFR

có thể không cần phải nghiên cứu thiết kế nhiều như các hệ thống thế hệ IV khác

b Lò phản ứng muối nóng chảy (molten salt reactor – MSR)

Lò MSR (xem hình 1.3) là lò nhiên liệu lỏng có thể sử dụng để đốt các actinide, sảnxuất điện năng, hyđro, và nhiên liệu phân hạch Trong hệ thống này, nhiên liệu

được truyền sang hệ thống chất làm mát thứ cấp thông qua bộ trao đổi nhiệt trunggian, sau đó qua một bộ trao nhiệt nữa tới hệ thống biến đổi năng lượng Cácactinide và phần lớn các sản phẩm phân hạch tạo nên các florua trong chất lỏng làmmát Nhiên liệu lỏng đồng nhất cho phép bổ sung actinide mà không yêu cầu phảichế tạo nhiên liệu.

Hình 1.3 Lò phản ứng muối nóng chảyTrong những năm 1960, Mỹ đã phát triển lò phản ứng tái sinh muối nóng chảy như

là phương án chính hỗ trợ cho lòphản ứng tái sinh truyền thống Công tác nghiêncứu gần đây tập trung vào các chất làm mát florua lithi và berylli vớithori hoà tan

và nhiên liệu U 233 Bộ Năng lượng Mỹ có kế hoạch tiếp tục hợp tác trong tươnglai với các chương trình lò phản ứng muối nóng chảy của Euratom

c Lò phản ứng làm mát bằng nước siêu tới hạn (supercritical water-cooled

reactor - SCWR)

Hình 1.4 Lò phản ứng làm mát bằng nước siêu tới hạn

Lò SCWR (xem hình 1.4) hứa hẹn nhiều ưu thế đáng kể về mặt kinh tế, với hai lýdo: có thể đơn giản hoá thiết kế nhà máy và hiệu suất nhiệt tăng cao Nhiệm vụchính của SCWR là phát điện với chi phí thấp nhờ kết hợp hai công nghệ đã quathử thách: công nghệ LWR truyền thống và công nghệ lò hơi siêu tới hạn đốt nhiênliệu hoá thạch Căn cứ các nghiên cứu thiết kế có thể tiên đoán hiệu suất nhiệt củanhà máy sẽ cao hơn các lò LWR hiện nay khoảng một phần ba

Từ hình vẽ có thể thấy các hệ thống còn lại của nhà máy và các đặc điểm an toànthụ động của lò SCWR cũng tương tự như đối với lò BWR, nhưng lại đơn giản hơnnhiều do chất làm mát không thay đổi về pha trong lò phản ứng Nước siêu tới hạnlàm quay trực tiếp tuabin, không cần đến hệ thống hơi trung gian Trên thế giới,dẫn đầu là Nhật Bản, người ta đang tìm cách giải quyết các vấn đề cấp bách nhất vềvật liệu và tính bất định trong thiết kế hệ thống nhằm chứng minh tính khả thi về kỹthuật của lò SCWR

CHƯƠNG 2 THÀNH LẬP MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CASCADE CHO LÒ

PHẢN ỨNG 2.1 MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CASCADE

Khả năng loại bỏ nhiễu của cấu trúc Cascade (Architectures ImprovedDisturbance Rejection) Trong công nghiệp, kỹ thuật điều khiển quá trình được ứngdụng để điều khiển các công đoạn của quá trình tạo thành sản phẩm công nghiệp.Các sản sản phẩm được tạo ra hầu hết dựa trên các phản ứng hoá học trong môitrường hợp chất dưới dạng lỏng Các công đoạn cần thiết phải điều chỉnh đồng thờicác tham số như áp suất, nhiệt độ, nồng độ Trong từng giai đoạn tạo thành sảnphẩm thường chọn biến quá trình chính quyết định tới chất lượng sản phẩm để điềuchỉnh Biến quá trình chính thường bị ảnh hưởng bởi các biến quá trình phụ Trongcác biến quá trình phụ có thể được coi là nhiễu Để phân đoạn các cho quá trình sảnxuất thường dùng cấu trúc điều khiển Cascade nhằm loại trừ các nhiễu ảnh hưởnglên quá trình chính Cấu trúc này là dạng hệ thống điều khiển có khả năng loại bỏnhiễu

2.2 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CASCADE

2.2.1 Sơ đồ chung

Cấu trúc điều khiển nối tầng (The Cascade Architecture) Sơ đồ cấu trúc tổngquát điều khiển quá trình cho hệ thống theo nguyên tắc Cascade được biểu diễn trênhình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển Cascade.

Mục đích của cấu trúc điều khiển này là loại trừ tác động của nhiễu lên quátrình Trong sơ đồ cấu trúc ta thấy có 2 nhiễu là Distubance variable I (DVI) vàDistubance variable II (DVII) Trong đó nhiễu thứ nhất DVI ảnh hưởng đến biếnquá trình chính (Primary process), nhiễu thứ hai DVII ta không xét đến vì cấu trúcnày không loại trừ được ảnh hưởng của nhiễu này Vì loại nhiễu này thường xuấthiện trong công đoạn cuối cùng của quá trình

Cấu trúc phân tầng yêu cầu phải biết biến quá trình phụ (secondary processvariable) Biến quá trình phụ này phải thoả mãn các yêu cầu sau:

- Nó có thể đo được bằng sensor

- Phần tử điều khiển cuối cùng (Final control element - ví dụ : Valve ) được sửdụng để điều khiển quá trình chính (Primary variable) cũng phải điều khiển biến quátrình phụ

- Nhiễu ảnh hưởng đến biến quá trình chính cũng phải ảnh hưởng đến biến quá trìnhphụ

- Biến quá trình phụ phải nằm trong biến quá trình cơ sở trong cấu trúc điều khiển.Vòng phụ là 1 cấu trúc phản hồi truyền thống Cấu trúc phân tầng có thể giải quyếtnhiều nhiễu miễn là mỗi nhiễu tác động đến biến quá trình phụ trước khi ảnh hưởngđến biến quá trình chính

+ Giải pháp Cascade Control

Bước đầu trong thiết kế Cascade là để đảm bảo rằng mục đích kiểm soát của hệđiều khiển là loại bỏ nhiễu Sơ đồ cho thấy bộ điều khiển không cần điểm đặt Trênthực tế, điểm đặt sẽ cố định ở mức giữa của bể chứa trong quá trình vận hành bìnhthường Mục đích là để duy trì mức chất lỏng tại điểm đặt trong khi loại bỏ nhiễu ápsuất thay đổi ở phía trên bể chứa

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển Cascade điều khiển mức

bằng cách điều khiển dòng chảy

Để hoàn chỉnh cho hệ thống điều khiển Cascade, phải tiến hành xác định biếnphụ Mức chất lỏng là biến số chính và kiểm soát nó là mục tiêu thiết kế trung tâmtrong chiến lược điều khiển Để có biến phụ, ta giả định là tốc độ dòng chảy trongống Để phù hợp với những tiêu chuẩn cho thiết kế điều khiển Cascade điều kiện đượcchọn là:

-Tốc độ chảy trong ống được điều khiển bằng một cảm biến.

-Cùng một van được dùng để đo mức chất lỏng (biến chính) và tốc độ chảy

-Sự thay đổi áp suất bên trong làm ảnh hưởng đến việc kiểm soát mức chất lỏngcũng sẽ ảnh hưởng đến tốc độ chảy

-Tốc độ chảy được bao hàm trong mức chất lỏng mà nó sẽ phản hồi trước khi mứcchất lỏng thay đổi hay van thay đổi vị trí hoặc áp suất thay đổi

Trên sơ đồ hình 2.1, chỉ đề xuất một cấu trúc điều khiển Cascade với hai bộđiều khiển (kiểm soát mức chất lỏng và tốc độ chảy), 2 cảm biến (đo mức chất lỏng

và tốc độ chảy) và một biến phụ kiểm soát cuối (1 van trong ống) Sơ đồ cấu trúc của

hệ thống điều khiển Cascade trên hình 2.2 chỉ ra hệ thống điều khiển Cascade phùhợp với hệ thống công nghệ trên hình 2.1

Kiểm soát mức chất lỏng là mục tiêu chính được thực hiện bằng vòng lặpchính hay vòng lặp ngoài Đầu ra của bộ điều khiển chính là điểm đặt của bộ điềukhiển phụ để kiểm soát tốc độ chảy bằng cách điều chỉnh vị trí van Việc kiểm soátđộng lực học của dòng chảy nhanh hơn nhiều kiểm soát mực nước Vì vậy cấu hìnhnày phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế đã nêu trên, trong đó thời gian vòng lặp phụnhanh hơn thời gian vòng lặp chính

Với cấu trúc Cascade này, nếu mức chất lỏng quá cao, bộ điều khiển làm tốc

độ chảy nhanh hơn tức là mở van rộng hơn như trong tổng hợp vòng lặp đơn Bộđiều khiển dòng chảy đó sẽ quyết định sẽ mở hay đóng van và mở/đóng bao nhiêu

Vì vậy áp suất trong Vapor phase được bộ điều khiển định vị nhanh chóng và điềunày cải thiện đáng kể hoạt động loại nhiễu của vòng lặp kiểm soát chính

2.2.2 Điều chỉnh thiết bị Cascade (Tuning a Cascade Implementation)

Điều khiển vòng lặp Cascade đòi hỏi các kỹ năng sau:

1 Bắt đầu cả hai bộ điều khiển sơ cấp và bộ điều khiển thứ cấp điều khiển bằng tay

2 Chọn bộ điều khiển P cho vòng lặp trong

3 Điều chỉnh bộ điều khiển P thứ cấp sử dụng giá trị điểm đặt chuẩn (nhiệm vụchính của nó là phản hồi lại lệnh điểm đặt từ bộ điều khiển sơ cấp) Kiểm tra nó đểchắc chắn thực hiện từ điểm đặt

4 Để bộ điều khiển thứ cấp tự động, nó trở thành một phần của quá trình chính.Chọn một bộ điều khiển với hoạt động kết hợp cho mạch vòng sơ cấp (PI hoặcPID) Sử dụng tiêu chuẩn thiết kế lọc bỏ nhiễu như là một công việc chính của bộđiều khiển sơ cấp

5 Điều chỉnh bộ điều khiển sơ cấp sử dụng phương pháp sẽ được lựa chọn ở phầnsau và kiểm tra phương pháp đó sao cho phù hợp và có kết quả chấp nhận được

6 Với cả hai bộ điều chỉnh hoạt động tự động, việc điều chỉnh Cascade đã hoànthành

2.3 KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH PHẢN ỨNG NHIỆT TRONG LÒ

CÓ VỎ BỌC (EXPLORING THE JACKETED REACTOR PROCESS)

Để kiểm soát nhiệt độ thoát ra trong ống thoát (biến số chính), bồn chứa đượcbao bọc một jacket mà chất lỏng làm mát chảy qua Bộ điều khiển điều chỉnh mộtvan để thay đổi tốc độ chảy của chất lỏng làm lạnh Nếu nhiệt độ trong ống quá cao,

bộ điều khiển mở van Điều này làm tăng tốc độ chảy nước làm lạnh, để làm nguội

lò phản ứng và giảm quá trình toả nhiệt Cuối cùng, nhiệt độ đo được của dòng chảythoát ra từ lò phản ứng hoạt động sẽ gián tiếp kiểm tra được nhiệt độ trong lò phảnứng Như trên hình 2.3, biến nhiễu của quá trình là chất làm lạnh chảy vào jacket

Vấn đề cần nghiên cứu ở đây với mục đích kiểm soát là duy trì nhiệt độ ốngthoát của lò phản ứng tại điểm đặt bằng cách loại bỏ nhiễu gây ra do thay đổi nhiệt

độ đầu vào jacket Quá trình loại nhiễu của vòng lặp đơn với bộ điều khiển PI sẽđược so sánh với cấu trúc điều khiển Cascade P-Only dạng PI

Hình 2.3 Sơ đồ mô tả công nghệ thiết kế điều khiển lò phản ứng

Đối với tất cả vòng lặp đơn cho kiểm soát Cascade, mức độ hoạt động thiết kế

là nhiệt độ lò phản ứng đo ở ống xả lò phản ứng ở nhiệt độ 860C (gần bằng 860C),

460C thường là nhiệt độ thiết kế đầu vào jacket của chất lỏng làm nguội, nhưng đôilúc nó có thể tụt xuống 400C Trong nghiên cứu về vòng lặp hở chỉ ra 50% ở đầu ra

bộ điều chỉnh làm cho lò phản ứng ổn định ở nhiệt độ 86 0C khi nhiệt độ đầu vào của jackét theo thiết kế hay là 46 0C Vì thế điều khiển lò phản ứng nhất thiết phảiđược xây dựng là hệ thống kín

2.3.2 Vòng lặp đơn loại bỏ nhiễu trong lò phản ứng jacket

Điều khiển bằng vòng lặp đơn với bộ điều khiển PI như trong hình 2.3, tuântheo tuần tự thiết kế như thường lệ Chúng ta cho nhảy bậc (perturb) đầu ra bộ điềukhiển, ghi lại dữ liệu khi quá trình có phản hồi, khớp số liệu với mô hình qúa trình códạng FOPDT (first order plus dead time) và dùng giới hạn đo mô hình trong điều

chỉnh tương quan để xác định giá trị điều chỉnh ban đầu Kết quả thu được trên hình2.4, chúng ta dùng hai đầu ra của bộ điều khiển để đo dữ liệu của biến số cả trên vàdưới mức độ hoạt động theo thiết kế

Vì thế việc kiểm tra quá trình động sẽ đưa ra một bảng dữ liệu hữu ích, ở đâyđầu ra của bộ điều khiển theo thiết kế có giá trị 50% tăng lên 53% sau đó giảmxuống 47% và cuối cùng trở về giá trị 50% Nhiệt độ ống thoát của lò phản ứngphản hồi chính xác sau mỗi giá trị đặt của bộ điều khiển

Hình 2.4 Kết quả điều khiển bằng mô phỏng lò phản ứng vớimạch vòng đơn cho mô hình quá trình có dạng FOPDT

Với FOPDT khớp với dữ liệu động học của quá trình được tính toán bởi phầnmềm thiết kế bằng mô phỏng biểu diễn trên hình 2.4 Mô hình khá hợp lý dựa trên

cơ sở quan sát bằng mắt, vì thế đưa ra những giá trị cho thiết kế:

Hệ số khuyếch đại quá trình KP = - 0.360C%

Hằng số thời gian τP =1.6 min

Thời gian chết θP = 0.88 min

Để ứng dụng mối tương quan IMC, đầu tiên phải tính toán hằng số thời gian

cho vòng lặp, ở đây ta chọn theo chuẩn điều chỉnh:

τC > 0.1τP hoặc 0.8 θP Như vậy τC > 0,1.1,6 hoặc 0,8.0,88 = 0,70 min Thay thế giátrị đó vào giới hạn đo của dạng mô hình quá trình FOPDT trên vào điều chỉnh tươngquan ở hình 2.4 được giá trị:

Hệ số khuyếch đại của bộ điều chỉnh KC = - 2.8% 0C

Hằng số thời gian: τI =1.6 min

Sau khi đã chọn được bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển Cascade tiếnhành kiểm tra khả năng loại bỏ nhiễu của hệ thống Trong đặc tính ở hình 2.5, nhiệt

độ ống thoát ra của lò phản ứng lúc đầu ổn định tại giá trị đặt 860C, nhiễu nhiệt độchất lỏng trong ống làm lạnh thay đổ từ nhiệt độ thiết kế 460C giảm xuống 400Csau đó trở lại nhiệt độ 460C, dùng để kiểm tra bộ điều khiển duy trì nhiệt độ ốngthoát theo thiết kế 860C, với sai lệch khoảng 2.50C trong suốt quá trình thể hiện trênhình 2.5

Hình 2.5 Kết quả loại bỏ nhiễu trong cấu trúc điều khiển Cascade cho

lò phản ứng bộ điều khiển dạng PI