Bài tập dài Môn Điều khiển nhà máy điện

Tìm hiểu về hệ thống điều khiển mức nƣớc bao hơi trong nhà máy nhiệt điện. Đƣa ra 1 sơ đồ điều khiển tối ƣu ( ít nhất có 2 mạch vòng điều chỉnh ) sử dụng PID. Mô phỏng kiểm nghiệm bằng MatlabSimulink. Mục lục Lời nói đầu. ................................................................................................................................................... 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƢỚC BAO HƠI .................................................. 4 I. Điều chỉnh mức và các phƣơng pháp điều chỉnh ................................................................................... 4 1.1.Vai trò và nhiệm vụ của hệ thống tự động điều chỉnh nƣớc cấp lò hơi .......................................... 4 1.2.Các yếu tố ảnh hƣởng đến sự thay đổi mức nƣớc bao hơi .............................................................. 4 1.3. Các sơ đồ tự động điều chỉnh mức nƣớc bao hơi ........................................................................... 8 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƢỚC BAO HƠI. ........................................................... 14 2.1. Nhận dạng đối tƣợng .................................................................................................................... 14 2.2 Tổng hợp mạch vòng điều khiển lƣu lƣợng nƣớc cấp: ................................................................. 15 2.3. Tổng hợp mạch vòng điều khiển bù nhiễu lƣu lƣợng hơi ............................................................ 16 2.4. Tổng hợp mạch vòng điều khiển mức nƣớc bao hơi .................................................................... 18 CHƢƠNG 3: MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM MATLABSIMULINK ................................................. 19 3.1. Mạch vòng điều khiển lƣu lƣợng nƣớc cấp .................................................................................. 19 3.2. Mạch vòng điều khiển bù nhiễu lƣu lƣợng hơi. ........................................................................... 20 3.3. Mạch vòng điều khiển mức nƣớc bao hơi. ................................................................................... 21 3.4. Mạch mô phỏng hoàn chỉnh của cả hệ thống. ...................................................................... 22 3.5. Kết quả mô phỏng. ....................................................................................................................... 22

Nhóm 6 1

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG

BÁO CÁO BÀI TẬP DÀI

Đề tài số 6: Tìm hiểu về hệ thống điều khiển mức nước bao hơi

trong nhà máy nhiệt điện Đưa ra 1 sơ đồ điều khiển tối ưu ( ít nhất

có 2 mạch vòng điều chỉnh ) sử dụng PID Mô phỏng kiểm nghiệm

bằng Matlab/Simulink

Sinh viên thực hiện: Phạm Huy Đức

Trần Văn Hưng Phạm Văn Lanh

Nhóm 6 2

Lời nói đầu

Trong thời đại ngày nay, ngành tự động hóa đóng vai trò quan trọng trong rất

nhiều lĩnh vực Và trong điều khiển nhà máy điện cũng vậy, tự động hóa đóng góp cho

các bộ phận điều khiển vô cùng nhiều

Hệ thống điều chỉnh nước vào lò hơi đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ

thống điều chỉnh của lò hơi nhà máy Để điều chỉnh hệ thống này thì có rất nhiều phương

pháp Đề tài của nhóm em là: ‘Tìm hiểu về hệ thống điều khiển mức nước bao hơi

trong nhà máy nhiệt điện Đưa ra 1 sơ đồ điều khiển tối ưu ( ít nhất có 2 mạch vòng

điều chỉnh ) sử dụng PID Mô phỏng kiểm nghiệm bằng Matlab/Simulink.’, trên cơ

sở lý thuyết đã được học chúng em xây dựng đề tài với 3 phần: CHƯƠNG 1: TỔNG

QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI; CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ĐIỀU

KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI; CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM

MATLAB/SIMULINK để tìm hiều kỹ hơn về công nghệ cũng như mô phỏng trên

phần mềm Matlab.

Do lượng kiến thức còn hạn chế nên đề tài còn nhiều thiếu sót, chúng em

mong sẽ nhận được những lời nhận xét quý báu từ thầy giáo đang trực tiếp giảng

dạy chúng em – thầy Nguyễn Ngọc Khoát

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Sinh Viên Thực Hiện:

Phạm Huy Đức Trần Văn Hưng Phạm Văn Lanh

Đào Ngọc Tú

Nhóm 6 3

Mục lục

Lời nói đầu 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI 4

I Điều chỉnh mức và các phương pháp điều chỉnh 4

1.1.Vai trò và nhiệm vụ của hệ thống tự động điều chỉnh nước cấp lò hơi 4

1.2.Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi mức nước bao hơi 4

1.3 Các sơ đồ tự động điều chỉnh mức nước bao hơi 8

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI 14

2.1 Nhận dạng đối tượng 14

2.2 Tổng hợp mạch vòng điều khiển lưu lượng nước cấp: 15

2.3 Tổng hợp mạch vòng điều khiển bù nhiễu lưu lượng hơi 16

2.4 Tổng hợp mạch vòng điều khiển mức nước bao hơi 18

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 19

3.1 Mạch vòng điều khiển lưu lượng nước cấp 19

3.2 Mạch vòng điều khiển bù nhiễu lưu lượng hơi 20

3.3 Mạch vòng điều khiển mức nước bao hơi 21

3.4 Mạch mô phỏng hoàn chỉnh của cả hệ thống 22

3.5 Kết quả mô phỏng 22

Nhóm 6 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BAO HƠI

I Điều chỉnh mức và các phương pháp điều chỉnh

1.1.Vai trò và nhiệm vụ của hệ thống tự động điều chỉnh nước cấp lò hơi

Hệ thống điều chỉnh nước vào lò hơi đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ

thống điều chỉnh của lò hơi Nhiệm vụ của hệ thống tự động điều chỉnh cấp nước vào lò

hơi là đảm bảo sự cân bằng vật chất giữa lưu lượng hơi ra khỏi lò hơi và lưu lượng nước

cấp vào

Trong quá trình hoạt động của lò hơi,sự cân bằng vật chất giữa lưu lượng hơi ra

khỏi lò và lưu lượng nước cấp vào lò bị phá vỡ do nhiều nguyên nhân Một trong những

nguyên nhân chính như sau: sự thay đổi lưu lượng hơi cấp vào TuaBin; sự rhay đổi nước

cấp vào lò; sự thay đổi áp suất bao hơi; sự thay đổi lượng nhiệt sinh ra trong buồng

lửa v.v.Những lý do trên dẫn đến làm thay đổi mức nước bao hơi Mức nước tăng hoặc

giảm quá mức quy định sẻ ảnh hưởng đến chất lượng hơi hoặc sự cố lò hơi

Khi mức nước bao hơi tăng quá mức quy định sẻ ảnh hưởng đến chất lượng hơi.Vì

khi đó ảnh hưởng đến quá trình phân ly hơi trong bao hơi, các giọt ẩm sẽ theo hơi tràn

qua bộ phận quá nhiệt, làm giảm quá trình truyền nhiệt giữa hơi và khói, dẫn đến những

tầng cuối của tuabin sẽ có độ ẩm cao sẽ làm hỏng tầng cánh của tuabin Còn khi mức

nước bao hơi thấp hơn mức nước yêu cầu làm mất sự tuần hoàn tự nhiên của nước trong

hệ thống Trong khi đó lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa vẫn không đổi dẩn đến có thể

làm biến dạng hoặc phình nổ các ống sinh hơi

Chính vì vậy,hệ thống điều chỉnh tự động cấp nước bao hơi có vai trò rất quan

trọng trong hệ thống điều chỉnh của lò hơi.Có nhiệm vụ đảm bảo mức nước bao hơi thay

đổi trong một giới hạn cho phép hay nói cách khác là đảm bảo sự cân bằng vật chất giửa

lưu lượng hơi ra khỏi lò và lưu lượng nước cấp vào lò

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi mức nước bao hơi

Quá trình thay đổi mức nước trong lò có bao hơi là một quá trình rất phức tạp

Không những bị thay đổi do cân bằng vật chất bị phá vỡ (ảnh hưởng của sự thay đổi lưu

lượng hơi ra khỏi lò,của sự thay đổi lưu lượng nước cấp vào lò…) mà còn bị thay đổi do

ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất trong bao hơi, ảnh hưởng của hiện tượng sôi

bồng….Những ảnh hưởng này lại có tác động tương hỗ lẫn nhau và làm cho quá trình

thay đổi mức nước càng trở nên phức tạp

:thể tích hơi trong bao hơi,m3

:tổng thế tích chứa mổi chất trong lò,m3

Fbh:diện tích mặt bốc hơi trong bao hơi,m2

Thành phần thứ nhất vế phải phương trình (1.1) thế hiện ảnh hưởng của việc phá

hủy cân bằng vật chất; thành phần thứ hai là ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất còn thành

( ) *

( )

+

( ) * (

) (1.3) Những ảnh hưởng của các yếu tố tới mức nước bao hơi sẻ được trình bày dưới

đây:

1.2.1 Ảnh hưởng của sự thay đổi lưu lượng nước cấp vào lò

Từ phương trình (1.2) ta thấy, khi thay đổi lưu lượng nước cấp vào lò nhưng vẫn

không thay đổi lượng nhiệt sinh ra trong lò thì lưu lượng hơi ra khỏi lò không thay đổi và

các thông số của nó cũng không thay đổi mà chỉ thay đổi mức nước trong bao hơi Khi

lưu lượng nước cấp vào lò giảm thì mức nước trong bao hơi tăng và ngược lại, khi lưu

lượng nước cấp vào lò giảm thì mức nước trong bao hơi giảm Về lý thuyết thì quan hệ

này là tuyến tính nhưng thực tế do ảnh hưởng của chiều dài đường ống từ van điều chỉnh

đến bao hơi nên bị chậm trễ một khoảng thời gian nào đó và đặc điểm của đối tượng

nhiệt là quán tính lớn nên đặc tính của lò hơi khi đại lượng điều chỉnh là mức nước

thường là khâu tích phân quán tính có trễ

1.2.2 Ảnh hưởng của lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa

Sự thay đổi lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa trong điều kiện lưu lượng nước

cấp vào lò không thay đổi củng làm thay đổi mức nước trong bao hơi.Thưc vậy theo

Ta thấy,khi lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa tăng nên thì mức nước trong bao

hơi tăng lên do khi thay lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa tăng trong khi đó áp suất lò

vẩn không thay đổi tương ứng nhiệt độ bảo hòa của nước không thay đổi dẫn đến lượng

hơi sinh ra trong hệ thống tăng lên,dẫn đến việc tách tương ứng một lượng nước đưa vào

bao hơi dẫn tới mức nước bao hơi tăng.Mặt khác theo phương trình tốc độ thay đổi áp

Tạ lại thấy khi Q tăng thì áp suất bao hơi sẽ tăng,để áp suất bao hơi không đổi thì

sản lượng hơi ra khỏi lò phải tăng (tức D tăng) Ta lại thấy khi D tăng trong điều kiện lưu

Nhóm 6 7

lượng nước cấp vào lò không đổi dẫn đến cân bằng vật chất bị phá vỡ làm giảm mức

nước bao hơi

Như vậy, khi lượng nhiệt sinh ra trong lò thay đổi đột ngột trong điều kiện giữ lưu

lượng nước cấp không thay đổi thì nó ảnh hưởng đến thành phần sôi bồng làm tăng mức

nước đồng thời chúng lại ảnh hưởng tới sự phá vỡ cân bằng vật chất làm giảm mức nước

Người ta chứng minh rằng, ảnh hưởng tổng hợp của hai hiện tượng như sau: lúc đầu mức

nước tăng (khoảng 30 giây) sau đó giảm dần

1.2.3 Ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất

Khi áp suất thay đổi thì mức nước bao hơi củng thay đổi theo Từ phương

trình(1.2) ta thấy rằng: khi áp suất bao hơi tăng lên thì mức nước bao hơi giảm, vì khi ấp

suất bao hơi tăng thì đồng thời nhiệt độ bão hòa trong lò tăng 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 ngược lại làm cho mức nước bao hơi tăng lên.Khi ấp suất thay đổia thì

không những ngoài chính bản than nó làm tháy đổi mức nước nó còn gây ra hiện tượng

sôi bồng làm thay đổi mức nước

1.2.4 Ảnh hưởng của sự thay đổi lưu lượng hơi ra khỏi lò

Khi thay đổi sản lượng hơi ra khỏi lò tốc độ quy dẩn của hơi và tốc độ tuần hoàn

trong vòng tuần hoàn ( ) sẻ thay đổi dẩn đến ảnh hưởng tới chế độ tuần hoàn của

môi chất trong hệ thống lò

Theo phương trình (1.4) ta thấy: khi tang đột ngột sản lượng hơi ra khỏi lò áp suất

bao hơi sẻ giảm, điều này dẩn đến xảy ra hiện tượng sôi bồng làm tăng mức nước bao

hơi Mặt khác theo phương trình(1.2) khi tăng sản lượng hơi ra khỏi lò lại làm cân bằng

vật chất bị phá hủy về phía sản lượng hơi Do đó làm tang mức nước Đặc tính động của

lò hơi khi sản lượng hơi thay đổi đột ngột được biểu diển như hình (1.1) sau:

Nhóm 6 8

Hình 1.1:Sơ đồ biểu diễn mức trong hiện tượng sôi bồng

Trong đó: H1- đường nước giảm; H2- đường sôi bồng; H3- đường thực tế; H3=H1+H2

Ta thấy lúc đầu mức nước tăng do hiện tượng sôi bồng (khoảng 30 giây) sau giảm

tuyến tính do ảnh hưởng của hiện tượng sôi bồng tạo mức nước giả

1.3 Các sơ đồ tự động điều chỉnh mức nước bao hơi

Quá trình thay đổi mức nước trong bao hơi là một quá trình phức tạp Trong thực

tế có thể sử dụng các loại sơ đồ điều chỉnh khác nhau, tùy theo năng suất lò hơi cũng như

yêu cầu công nghệ mà người sử dụng đặt ra.Người ta có thể chia các sơ đồ điều khiển

mức nước bao hơi thành ba dạng cơ bản sau:

1.3.1 Hệ thống điều chỉnh một tín hiệu

Sơ đồ nguyên lý được thể hiện ở hình 1.2 sau:

Nhóm 6 9

Hình 1.2:Hệ thống điều khiển 1 tín hiệu Hình 1.3:Đặc tính tĩnh hệ một xung

Trong đó: BH - bao hơi; BQN - bộ quá nhiệt; BĐC - bộ điều chỉnh; BHN - bộ hâm

nước

Hệ thống điều khiển này có một tín hiệu vào bộ điều chỉnh,đó là mức bao hơi(H ) ,

nó phụ thuộc vào giá trị đặt và dấu của độ sai lệch mức nước bao hơi, bộ điều chỉnh này

sẽ thay đổi độ mở của van cấp nước để thay đổi lưu lượng nước cấp vào lò

Từ đường đặc tính tĩnh biểu diển trên hình cho ta thấy quan hệ giữa mức nước bao

hơi với độ không đồng đều dương của phụ tải hơi D Phụ tải hơi D tăng thì mức nước bao

hơi ở trạng thái ổn định giảm

Ở hình dưới đây biểu diễn các đồ thị của qúa trình quá độ quá trình điều chỉnh

được xây dựng không kể đến chậm trễ trong hệ thống và sự dao động của quá trình

Quá trình điều chỉnh như sau:

Trước thời điểm t1 là đang vận hành bình thường ở phụ tải giữ không đổi, D1

tương ứng lưu lượng nước cấp W1 và mức nước ổn định trong bao hơi H1

Nhóm 6 10

Hình 1.4:đặc tính động quá trình điều chỉnh hệ 1 xung

Tại thời điểm t1 vì một lý do nào đó phụ tải hơi giảm đột ngột tới giá trị D2 , điều

này dẩn đến giảm mức nước bao hơi từ H1 xuống Ha do giảm thể tích hổn hợp hơi và

nước chứa trong bao hơi và hệ thống dàn ống sinh hơi trong buồng lửa của lò.Nhận được

tín hiệu về sự giảm mức nước bao hơi, bộ điều chỉnh bắt đầu tác động tăng độ mở của

van nước cấp và từ đó tăng lưu lượng nước cấp từ W1 đến Wa

Sự tăng lưu lượng nước cấp vượt hơn sự tăng lưu lượng hơi dẫn đến cân bằng vật

chất bị phá vỡ và từ đó làm tăng mức nước Theo độ tăng dần của mức nước mà bộ điều

chỉnh giảm dần độ mở của van nước cấp tương ứng giảm lưu lượng nước cấp vào lò giảm

từ Wa xuống W2 , tương ứng với phụ tải hơi mới ra D2 Khi này phương trình cân bằng

vật chất lại được xác lập và từ đó mức nước bao hơi lại ổn định tại vị trí mới là H2 Gía

trị H2 này thường lớn hơn giá trị mức nước ổn định ở chế độ xác lập trước H1.

Và ngược lại,giả sử khi lò đang làm việc ổn định ở chế độ xác lập mới ứng với

phụ tải hơi không đổi D2, tương ứng với lưu lượng nước cấp vào lò W2 và mức nước ổn

định H2.Thì ở thời điểm t2 vì một lý do nào đó phụ tải hơi lại tăng đột ngột từ giá trị D2

lên giá trị D3 Do đó dẫn đên sự giảm áp suất bao hơi, làm tăng thể tích hổn hợp hơi và

nước trong bao hơi và hệ thống giàn ống sinh hơi ,làm tăng mức nước trong bao hơi từ H2

lên H3 Tín hiệu thay đổi mức nước này được đưa đên bộ điều chỉnh, từ đó bộ điều chỉnh

cho tín hiệu đóng bớt độ mở van nươc cấp vào lò từ giá trị W3 xuống Wb

Nhóm 6 11

Sự không tương ứng giửa lưu lượng nươc cấp vào lò và lưu lượng hơi ra khỏi lò sẽ dẫn

đên làm giảm mức nươc trong bao hơi Tín hiệu giảm mưc nươc trong bao hơi này lại

được truyền đến bộ điều chỉnh và từ đó bộ điều chỉnh cho tín hiệu ra tăng dần mở dần độ

mở của van nước cấp và tương ứng tăng lưu lượng nước cấp vào lò cân bằng với lưu

lượng hơi lấy ra.Kết quả của quá trình điều chỉnh là:lò lại làm việc ổn định ở chế độ làm

việc mới ứng với phụ tải hơi được gử không đổi D3 ứng với lưu lượng nươc cấp W3 và

mưc nước ổn định H3 Gía trị H3 này thường khác với H1 và H2

Như vậy, quá trình phân tích ở trên ta có thể kết luận rằng : quá trình điều chỉnh

của một tín hiệu luôn kém theo dao động rất lớn của mức nước bao hơi khi phụ tải hơi ra

khỏi lò thay đổi đột ngột, do đó hệ thống điều chỉnh một tín hiệu chỉ được sử dụng với

các lò hơi có sản lượng hơi nhỏ.Thường dùng cho các lò trung áp và hạ áp

1.3.2 Hệ thống điều khiển 2 tín hiệu: H, D

Sơ đồ nguyên lý được thể hiện ở hình 1.5 Đặc tính tĩnh hệ điều chỉnh hai tín hiệu

thể hiện ở hình 1.6

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý Hình 1.6: Đặc tính tĩnh

Bộ điều chỉnh nước cấp có hai tín hiệu có tín hiệu vào đó là tín hiệu mức nước H

và tín hiệu hơi ra khỏi lò D

Đặc tính tĩnh của hệ thống điều chỉnh hai tín hiệu được biểu diễn trên hình 1.6

nhận được bằng cách cộng tổng các đặc tính điều chỉnh tĩnh của bộ điều chỉnh có độ

không đồng đều với đặc tính của tín hiệu theo lưu lượng hơi Tín hiệu theo mức nước bao

Nhóm 6 12

hơi có quan hệ bậc 2 với phụ tải hơi của lò do đó đặc tính tĩnh của quá trình điều chỉnh có

dạng như trên

Bộ điều chỉnh hai tín hiệu nhận được sự thay đổi về mức nước trong bao hơi, vị trí

mức nước trong bao hơi chủ yếu phụ thuộc vào phụ tải, nhưng nó còn chịu ảnh hưởng

của lưu lượng nước cấp vào lò được xác định bằng độ chênh lệch áp suất trên van điều

chỉnh nước cấp

Do đó, trong những điều kiện như sau vị trí của mức nước phụ thuộc vào giáng áp

trên van điều chỉnh trên hình 1.6 biểu thị 2 đường đặc tính ứng với giáng áp ∆Pmax và

∆Pmin Vùng mà vị trí mức nước có thể rơi vào nằm giữa 2 đường đặc tính này

Như vậy, khi lưu lượng hơi từ lò thay đổi bộ điều chỉnh trên sẽ tác động trước khi

mức nước trong bao hơi thay đổi, vì vậy nâng cao được chất lượng của quá trình điều

chỉnh

Đặc tính động của hệ thống điều chỉnh hai tín hiệu được biểu diễn như hình 1.7

sau:

Hình 1.7: Đặc tính động

Quá trình điều chỉnh như sau: Khi phụ tải của lò hơi thay đổi tăng đột ngột, tín

hiệu thay đổi lưu lượng hơi được truyền đến bộ điều chỉnh và từ đó tín hiệu ra tăng độ mở

của van nước cấp, tăng lưu lượng nước cấp vào lò Điều này dẫn đến làm tăng mức nước

bao hơi vì ảnh hưởng của hiện tượng sôi bồng mức nước (khi lưu lượng hơi tăng thì áp

suất bao hơi giảm) và do lưu lượng nước cấp tăng Mặt khác khi tín hiệu mức nước tăng