Điều khiển tối ưu quá trình cháy lò hơi

Như vậy, để tiết kiệm năng lượng trong hệ thống lò hơi, mạng nhiệt việc điều khiển các quá trình của lò hơi cũng thật cần thiết bao gồm việc tối ưu hóa quá trình cháy trong lò, tối ưu hó

NGUYỄN ANH TUẤN

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH CHÁY LÒ HƠI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN ANH TUẤN

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH CHÁY LÒ HƠI Chuyên ngành: Điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN HUY PHƯƠNG

Hà Nội - 2012

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp “Điều khiển tối ưu quá trình cháy

lò hơi” do tôi tự hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Nguyễn Huy Phương

Để hoàn thành đề tài này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tham khảo, không sử dụng các tài liệu nào khác mà không được liệt kê ở phần tài liệu tham khảo

Hà Nội ngày 02 tháng 7 năm 2012

Học viên thực hiện

Nguyễn Anh Tuấn

1 Giới thiệu chung về lò hơi 8

1.1 Khái niệm quá trình hóa hơi 8

1.2 Khái niệm cơ bản về lò hơi 8

2 Phân loại lò hơi 10

2.1 Lò hơi ống lửa 10

2.2 Lò hơi ống nước 11

2.6 Lò hơi sử dụng nhiệt thải 14

3 Quá trình cháy trong buồng lửa 15

3.1 Nhiên liệu và sản phẩm cháy của nhiên liệu 15

3.2 Các giai đoạn của quá trình đốt cháy nhiên liệu 16

3.3 Quá trình sấy nóng và sấy khô nhiên liệu 17

3.4 Giai đoạn thoát chất bốc và tạo cốc 17

3.6 Giai đoạn tạo tro xỉ 19

4 Giới thiệu lò hơi của công ty Thuốc lá Thăng Long 19

4.1 Các thông số của lò hơi 19

4.2 Quá trình vận hành hệ thống cấp hỗn hợp nhiên liệu cho lò hơi 21

5 Kết luận 21

Chương II: Giới thiệu chung về điều khiển tối ưu 22

1 Định nghĩa 22

2 Điều kiện hạn chế 22

3 Bài toán điều khiển tối ưu 23

3.1 Điều khiển tối ưu tĩnh 23

3.2 Điều khiển tối ưu động 34

4 Kết luận 47

Chương III: Tổng hợp bộ điều chỉnh quá trình cháy lò hơi của

1 Đặt vấn đề 49

1.3 Sơ đồ công nghệ 50

2 Tính toán các tham số của bộ điều chỉnh 51

2.1 Hàm truyền đạt của bộ chuyển đổi dòng điện 52

2.3 Hàm truyền đạt của van nhiên liệu 52

2.4 Hàm truyền đạt của cảm biến đo lưu lượng không khí và lưu lượng

2.5 Tính toán tham số mạch vòng điều chỉnh lưu lượng không khí 54

2.6 Tính toán tham số mạch vòng điều chỉnh lưu lượng nhiên liệu 57

Chương IV: Mô phỏng hệ thống bằng matlab simulink 58

2 Mô phỏng hệ thống 59

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Quá trình hóa hơi đẳng áp

Hình 1.2: Sơ đồ khối minh họa cấu trúc của lò hơi

Hình 1.3: Minh họa cơ cấu gia nhiệt cho nước và không khí đầu vào

Hình 1.4: Mặt cắt của một lò hơi ống lửa

Hình 1.5: Giản đồ lò hơi ống nước

Hình 1.6: Buồng lửa ghi cố định

Hình 1.7: Buồng lửa ghi di động

Hình 1.8: Đốt cháy theo phương tiếp tuyến ở nhiên liệu phun

Hình 1.9: Giản đồ lò hơi sử dụng nhiệt thải

Hình 1.10: Quan hệ giữa nhiệt lượng tỏa ra với hệ số không khí thừa

Hình 2.1: Đồ thị hàm mục tiêu

Hình 2.2: Minh họa công thức biến phân

Hình 2.3: Mô tả nguyên lý tối ưu Bellman

Hình 2.4: Nguyên lý cực đại là trường hợp tổng quát của công thức biến

phân

Hình 3.1: Sơ đồ điều khiển quá trình cấp hơi của lò hơi

Hình 3.2: Sơ đồ công nghệ điều khiển quá trình cháy

Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc hệ thống

Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng lưu lượng không khí

Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng lưu lượng nhiên liệu

Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng hệ thống cấp không khí

Hình 4.2: Đáp ứng của hệ thống cấp không khí

Hình 4.3: Sơ đồ mô phỏng hệ thống cấp nhiên liệu

Hình 4.4: Đáp ứng của hệ thống cấp nhiên liệu

Hình 4.5: Sơ đồ mô phỏng hệ thống cấp hỗn hợp nhiên liệu

Hình 4.6: Biểu đồ tín hiệu đặt nhiên liệu cho hệ thống

Hình 4.7: Đáp ứng của hệ thống theo tín hiệu đặt

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài

Lò hơi và mạng nhiệt là hệ thống không thể thiếu trong nhiều cơ sở sản xuất công nghiệp thực phẩm, dệt may, hóa chất với nhiệm vụ chủ yếu là sản xuất và phân phối hơi nước cho các nhu cầu về sấy, gia nhiệt, nấu, thanh trùng và đôi khi là cả nhu cầu phát điện trong các nhà máy Lò hơi và mạng nhiệt là khu vực tiêu thụ đáng kể các loại nhiên liệu như than, dầu, khí đốt Lò hơi, hệ thống phân phối hơi nước là hệ thống các đường ống, van và các thiết bị phụ có nhiệm vụ phân phối hơi nước tới các

hộ tiêu thụ và giảm áp suất hơi nước đến áp suất cần thiết tại hộ tiêu thụ riêng biệt Hơi nước sau khi sử dụng và trao đổi nhiệt cho các nhu cầu cần thiết thì biến đổi thành nước ngưng Nước ngưng này có nhiệt độ cao và là nước sạch có thể được đưa trở lại

lò hơi để biến đổi thành hơi Như vậy, để tiết kiệm năng lượng trong hệ thống lò hơi, mạng nhiệt việc điều khiển các quá trình của lò hơi cũng thật cần thiết bao gồm việc tối ưu hóa quá trình cháy trong lò, tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt trong lò và giảm tổn thất nhiệt ra ngoài môi trường, tận dụng nhiệt thừa của khói thải

Xuất phát từ nhu cầu tiết kiệm năng lượng và cải tạo hệ thống điều khiển lạc hậu trong hệ thống lò hơi của công ty Thuốc lá Thăng Long cũng như nhu cầu đầu tư hệ thống lò hơi mới của công ty, được sự tạo điều kiện giúp đỡ của nhà trường, Viện đào tạo Sau Đại học và thầy giáo Nguyễn Huy Phương, em đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp

của mình là “Điều khiển tối ưu quá trình cháy lò hơi” Trong quá trình thực hiện đề

tài, em đã cố gắng hạn chế tối đa các khiếm khuyết, xong do trình độ và thời gian còn hạn chế vì vậy không tránh khỏi thiếu sót, kính mong Hội đồng Khoa học bổ sung đóng góp ý kiến để đề tài được hoàn thiện tốt hơn

2 Mục đích đề tài

Nghiên cứu quá trình cháy trong lò hơi, áp dụng các luật điều khiển để cải tạo hệ thống điều khiển lò hơi của công ty Thuốc lá Thăng Long nhằm sản xuất ra năng lượng một cách an toàn, hiệu quả, hợp lý, đảm bảo tính kinh tế của quá trình cháy cũng như hiệu quả nhiệt của lò hơi

Là căn cứ để lựa chọn phương án kỹ thuật trong quá trình đầu tư mới hệ thống lò hơi của công ty

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU LÒ HƠI VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY

1 Giới thiệu chung về lò hơi

1.1 Khái niệm quá trình hóa hơi

Trong quá trình biến đổi từ nước sang hơi, nhiệt năng có tác dụng đưa nhhiệt độ của nước lên đến ngưỡng hóa hơi là 1000C tương ứng với áp suất khí quyển Tuy nhiên khi áp suất tăng thì giá trị nhiệt độ tại ngưỡng hóa hơi của nước sẽ bị tăng lên cao tương ứng

Hình 1.1: Quá trình hóa hơi đẳng áp

Khi nước hóa hơi, nhiệt lượng cung cấp tiếp tục cũng không làm cho nhiệt độ của hơi nước tăng lên nữa nhưng sẽ làm bay hơi tiếp lượng nước đang ở dạng lỏng, do vậy

ta có được giá trị nhiệt độ bão hòa (ts) Nếu hơi không lẫn nước gọi là hơi khô, còn vẫn lẫn nước chưa hóa hơi hết gọi là hơi ướt Đối với hơi khô, nếu tiếp tục được gia nhiệt thì nhiệt độ của hơi vượt quá nhiệt độ bão hòa, khi đó thu được hơi quá nhiệt

1.2 Khái niệm cơ bản về lò hơi

Hình 1.2: Sơ đồ khối minh họa cấu trúc của lò hơi

Lò hơi là thiết bị sinh hơi thực hiện hai nhiệm vụ chính:

- Chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu trong buồng đốt thành nhiệt năng

- Truyền nhiệt năng cho các chất tải nhiệt - môi chất và thông qua hệ thống ống dẫn đưa môi chất tới các công đoạn sản xuất phía sau Thường trong lò hơi chất tải nhiệt là nước được gia nhiệt thành hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt

Trên hình 1.1 giới thiệu cấu tạo cơ bản của một lò hơi Lò hơi gồm hai thành phần: hệ thống biến đổi nước - hơi nước (phần hóa hơi), hệ thống biến đổi nhiên liệu - không khí - khí thải (phần gia nhiệt - phần đốt) Trong phần hóa hơi, đầu vào là nước, đầu ra là hơi, ở giữa xảy ra quá trình hấp thu nhiệt của nước, khi nhiệt độ đạt đến điểm hóa hơi sẽ bắt đầu sinh ra hơi Tại phần đốt, trước khi vào buồng đốt, nhiên liệu được trộn với không khí theo tỷ lệ thích hợp để đạt được hiệu suất cháy tối ưu Nhiệt lượng tỏa ra sẽ được một hệ thống ống dẫn nước hấp thu để gia nhiệt cho nước Khí thải của quá trình đốt hỗn hợp nhiên liệu và không khí vẫn còn tích một lượng lớn nhiệt, do đó trên đường dẫn khí thải được bố trí thêm các cơ cấu trao đổi nhiệt với đường ống dẫn nước và đường dẫn khí vào Việc gia nhiệt cho không khí có tác dụng giảm mức tổn hao nhiên liệu cung cấp cho quá trình cháy

Hình 1.3: Minh họa cơ cấu gia nhiệt cho nước và không khí đầu vào

Lò hơi bao gồm các bộ phận chính sau: Bao hơi, van hơi chính, đường nước cấp, đường cấp nhiên liệu, buồng lửa là không gian để đốt cháy tất cả nhiên liệu cấp vào lò, phễu tro lạnh để làm nguội các hạt tro xỉ trước khi thải ra ngoài trong trương hợp thải

xỉ khô, giếng xỉ để hứng tất cả xỉ thải ra ngoài, bơm nước cấp, ống khói, bộ sấy không khí, quạt gió, bộ hâm nước, dàn ống nước xuống, dàn ống nước lên, dãy feston - dàn ống sinh hơi và bộ quá nhiệt, bộ lọc bụi để tránh mài mòn cánh quạt khói

2 Phân loại lò hơi

2.1 Lò hơi ống lửa (Fire Tub Boiler)

Với loại lò hơi này, khí nóng đi qua các ống và nước cấp cho lò hơi ở phía trên sẽ được chuyển thành hơi Lò hơi ống lửa thường được sử dụng với công suất hơi tương đối thấp cho đến áp suất hơi trung bình Do đó, sử dụng lò hơi dạng này là ưu thế với

tỷ lệ hơi lên tới 12.000 kg/giờ và áp suất lên tới 18 kg/cm2 Các lò hơi này có thể sử dụng với dầu, ga hoặc các nhiên liệu lỏng

Hình 1.4: Mặt cắt của một Lò hơi ống lửa

2.2 Lò hơi ống nước (Water Tube Boiler)

Ở lò hơi ống nước, nước cấp qua các ống đi vào tang lò hơi Nước được đun nóng bằng khí cháy và chuyển thành hơi ở khu vực đọng hơi trên tang lò hơi Lò hơi dạng này được lựa chọn khi nhu cầu hơi cao đối với nhà máy phát điện

Phần lớn các thiết kế lò hơi ống nước hiện đại có công suất nằm trong khoảng 4.500 – 120.000 kg/giờ, hơi ở áp suất rất cao

Lò hơi ống nước có các đặc điểm sau:

- Sự thông gió cưỡng bức, cảm ứng, và cân bằng sẽ giúp nâng cao hiệu suất cháy

- Yêu cầu chất lượng nước cao và cần phải có hệ thống xử lý nước

- Phù hợp với công suất nhiệt cao

Hình 1.5: Giản đồ lò hơi ống nước

2.3 Lò hơi buồng lửa tầng sôi

Lò hơi buồng lửa tầng sôi (FBC) gần đây nổi lên như một lựa chọn khả thi và có rất nhiều ưu điểm so với hệ thống đốt truyền thống, nó mang lại rất nhiều lợi ích như thiết kế lò hơi gọn nhẹ, nhiên liệu linh hoạt, hiệu suất cháy cao hơn và giảm thải các chất gây ô nhiễm độc hại như SOx và NOx Nhiên liệu đốt của những lò hơi loại này gồm có than, vỏ trấu, bã mía, và các chất thải nông nghiệp khác Lò hơi buồng lửa tầng sôi có các mức công suất rất khác nhau từ 0,5 T/h cho tới hơn 100 T/h

Khi không khí hoặc ga được phân bố đều, đi qua lớp hạt rắn, những hạt này sẽ không bị ảnh hưởng ở vận tốc thấp Khi vận tốc không khí tăng dần, dẫn đến trạng thái các hạt bị treo lơ lửng trong không khí gọi là “tầng sôi”

Khi vận tốc không khí tăng thêm sẽ tạo ra bong bóng, chuyển động nhanh, pha trộn mạnh và tạo ra bề mặt nhiên liệu đặc Lớp vật liệu với những hạt rắn này được xem như là dung dịch đun sôi sẽ tạo ra lớp chất lỏng-“tầng sôi”

Nếu các hạt cát ở trạng thái sôi được đun tới nhiệt độ than có thể bốc cháy và than được cấp liên tục vào, khi đến lớp nhiên liệu than sẽ bốc cháy tức thì và lớp nhiên liệu đạt được nhiệt độ đồng đều Quá trình đốt cháy tầng sôi (FBC) diễn ra ở mức nhiệt

độ 8400C đến 9500C Vì nhiệt độ này thấp hơn nhiệt độ tan chảy của xỉ rất nhiều, nên

có thể tránh được vấn đề xỉ nóng chảy và các vấn đề khác có liên quan

Nhiệt độ cháy thấp hơn đạt được là do hệ số truyền nhiệt cao nhờ sự pha trộn nhanh ở tầng sôi và sự thoát nhiệt hiệu quả từ lớp nhiên liệu qua những ống truyền nhiệt trong lớp nhiên liệu và thành của tầng nhiên liệu Vận tốc khí được duy trì ở giữa khoảng vận tốc sôi tối thiểu và vận tốc các hạt nhiên liệu bị cuốn theo Điều này giúp đảm bảo sự vận hành ổn định của lớp nhiên liệu và tránh việc các hạt bị cuốn theo vào

dòng khí

2.4 Lò hơi đốt ghi

Buồng lửa được chia tuỳ theo phương pháp cấp nhiên liệu cho lò và kiểu ghi lò Các loại chính bao gồm buồng lửa ghi cố định và buồng lửa ghi xích hoặc ghi di động

2.4.1 Buồng lửa ghi cố định

Buồng lửa ghi cố định sử dụng kết hợp cháy trên ghi lò và cháy trong khi rơi

Than được đưa liên tục vào lò trên lớp than đang cháy Than nhận được nhiệt và tiến hành các giai đoạn của quá trình cháy Những hạt than to hơn (phần cốc) rơi trên ghi, cháy với một lớp than mỏng, cháy nhanh Phương pháp đốt này rất linh hoạt với những dao động mức tải, vì việc đốt cháy tạo ra tức thời khi tốc độ cháy tăng Vì vậy, buồng lửa ghi cố định được ưa chuộng hơn những loại buồng lửa khác trong các ứng dụng công nghiệp

Hình 1.6: Buồng lửa ghi cố định

2.4.2 Buồng lửa ghi xích hoặc buồng lửa ghi di động

Than được cấp vào phần cuối của ghi lò đang chuyển động Khi ghi chuyển động dọc theo chiều dài của buồng lửa, than cháy, còn xỉ rơi xuống phía dưới Sử dụng loại

lò này, cần phải có một số kỹ năng, nhất là khi thiết lập ghi, van điều tiết, và các vách ngăn để đảm bảo quá trình đốt sạch, không còn cacbon chưa cháy trong xỉ

Hình 1.7: Buồng lửa ghi di động

Phễu cấp than chuyển động dọc theo phần cấp than của lò Thiết bị chắn than được sử dụng để điều chỉnh tỷ lệ than cấp vào lò thông qua kiểm soát độ dày của lớp

than Kích cỡ than phải đều vì những viên to sẽ không cháy hết tại thời điểm chúng đến cuối ghi

2.5 Lò hơi sử dụng nhiên liệu phun

Hầu hết các nhà máy nhiệt điện (than) đều sử dụng lò hơi dùng nhiên liệu phun,

và rất nhiều lò hơi ống nước công nghiệp cũng sử dụng loại nhiên liệu phun này Công nghệ này được nhân rộng rất nhanh và hiện có hàng nghìn nhà máy áp dụng, chiếm hơn 90% công suất đốt than

Than được nghiền thành bột mịn sao cho dưới 2% có đường kính +300 micrometer (µm) và 70-75 % nhỏ hơn 75 microns, đối với than bitum

Hình 1.8: Đốt cháy theo phương tiếp tuyến ở nhiên liệu phun

Than nghiền được phun cùng với một phần khí đốt vào dây chuyền lò hơi thông qua một số vòi đốt Có thể bổ sung khí cấp 2 và 3 Quá trình cháy diễn ra ở nhiệt độ từ 1300-1700 °C, phụ thuộc nhiều vào loại than Thời gian lưu của các than trong lò điển hình từ khoảng 2 đến 5 giây, và kích thước hạt phải nhỏ vừa để hoàn tất quá trình đốt, diễn ra trong khoảng thời gian này

Hệ thống kiểu này có rất nhiều ưu điểm như khả năng cháy với các loại than chất lượng khác nhau, phản ứng nhanh với các thay đổi mức tải, sử dụng nhiệt độ khí đun nóng sơ bộ cao, vv

Một trong những hệ thống phổ biến nhất để đốt than nghiền là đốt theo phương tiếp tuyến sử dụng 4 góc để tạo ra quả bóng lửa ở giữa lò

2.6 Lò hơi sử dụng nhiệt thải

Bất cứ nơi nào có sẵn nhiệt thải ở nhiệt độ cao hoặc trung bình đều có thể lắp đặt

lò hơi sử dụng nhiệt thải một cách kinh tế Khi nhu cầu hơi cao hơn lượng hơi tạo ra từ

nhiệt thải, có thể sử dụng lò đốt nhiên liệu phụ trợ Nếu không cần sử dụng hơi trực tiếp có thể sử dụng hơi cho máy phát tua bin chạy bằng hơi để phát điện Lò hơi loại này được sử dụng rộng rãi với nhiệt thu hồi từ khí thải của tua bin chạy bằng gas hoặc các động cơ diezen

Hình 1.9: Giản đồ Lò hơi sử dụng nhiệt thải

3 Quá trình cháy trong buồng lửa lò hơi

3.1 Nhiên liệu và sản phẩm cháy của nhiên liệu

a Khái niệm:

Nhiên liệu là những vật chất khi cháy tỏa ra nhiệt năng Trong công nghiệp, nhiên liệu phải đạt được các yêu cầu sau: có nhiều trong tự nhiên, dễ khai thác, giá thành rẻ, khi cháy không sinh ra những chất nguy hiểm

Trên thế giới hiện nay, nguồn nhiên liệu chủ yếu là nhiên liệu hữu cơ dưới ba dạng rắn, lỏng, khí Những nhiên liệu này có thể có sẵn trong tự nhiên hoặc nhân tạo

b Thành phần hóa học của nhiên liệu

Nhiên liệu bao gồm những chất có khả năng oxy hóa gọi là chất cháy và những chất không có khả năng oxy hóa gọi là chất trơ

* Các chất cháy:

Cacbon là thành phần chủ yếu trong nhiên liệu, nhiệt lượng phát ra khi cháy 1 kg cacbon gọi là nhiệt trị của cacbon (34.150 kJ/kg) Lượng cacbon trong nhiên liệu càng nhiều thì nhiệt trị của nhiên liệu càng cao

Hydro là thành phần cháy quan trọng của nhiên liệu, khi cháy tỏa ra nhiệt lượng khoảng 144.500 kJ/kg, và dễ bắt lửa nhưng lượng hydro trong nhiên liệu lại rất ít Lưu huỳnh thường tồn tại dưới ba dạng: dạng hữu cơ, dạng khoáng chất là hai dạng cháy được và dạng thứ ba không cháy được là dạng muối sulfat sẽ tạo thành tro

xỉ

Oxy và Nitơ là những chất cháy vô ích trong nhiên liệu Sự có mặt của chúng làm giảm thành phần cháy của nhiên liệu nên làm cho nhiệt trị của nhiên liệu giảm xuống

* Các chất trơ

Độ ẩm là thành phần có hại, không những không cháy và tỏa nhiệt mà còn tiêu tốn nhiệt năng để bốc hơi, làm tăng nhiệt độ đọng sương của khói, nhất là khi đốt nhiên liệu có nhiều lưu huỳnh

Tro là tổng hợp các thành phần không cháy được ở thể rắn Tro gồm có tro trong

và tro ngoài Tro ngoài là những chất rắn lẫn vào nhiên liệu trong quá trình khai thác, vận chuyển và bảo quản nhiên liệu, còn tro trong là thành phần chất rắn không cháy được có ngay trong quá trình hình thành nhiên liệu

3.2 Các giai đoạn của quá trình đốt cháy nhiên liệu

Từ khi đưa vào buồng lửa đến khi đốt cháy hết nhiên liệu đã trải qua một quá trình thay đổi về vật lý và hóa học rất phức tạp xen kẽ lẫn nhau, nói chung có thể chia lam mấy giai đoạn chính như sau:

- Giai đoạn sấy nóng và sấy khô nhhiên liệu

- Giai đoạn thoát chất bốc và tạo cốc

- Giai đoạn cháy chất bốc và tạo cốc

- Giai đoạn tạo tro xỉ

Đối với nhiên liệu lỏng không có giai đoạn tạo cốc và tạo xỉ Với nhiên liệu khí chỉ có giai đoạn sấy nóng và cháy

Các giai đoạn của quá trình cháy không phải tiến hanh tuần tự, tách biệt mà thường tiến hành gối đầu xen kẽ nhau

Thời gian tiến hành các giai đoạn dài hay ngắn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đặc tính của nhiên liệu, cấu tạo của buồng lửa và phương pháp vận hành

3.3 Quá trình sấy nóng và sấy khô nhiên liệu

Khi nhiên liệu được đưa vào buồng lửa đang vận hành, lập tức nhận được nhiệt

từ không khí nóng, từ sản phẩm cháy, từ lớp than đang cháy, từ vách tường của buồng lửa v.v Phương thức truyền nhiệt từ không khí nóng là đối lưu, từ sản phẩm cháy là đối lưu và bức xạ, từ lớp than đang cháy là dẫn nhiệt và bức xạ, từ vách buồng lửa cũng là bức xạ

Khi nhận được nhiệt nhiên liệu được sấy nóng và sấy khô Nhiệt độ của nhiên liệu tăng dần, lượng ẩm trong nhiên liệu cũng được nhận nhiệt, nhiệt độ tăng dần và bốc hơi với cường độ mạnh dần Khi nhiệt độ lên đến khoảng 1000C thì ẩm bốc hơi mãnh liệt, cho đến khi bốc hầu hết độ ẩm bề mặt thì nhiệt độ tiếp tục tăng và bước sang giai đoạn thoát chất bốc

Nhiên liệu có nhiệt độ ban đầu càng thấp, độ ẩm càng cao thì nhiệt lượng cần để sấy càng nhiều, thời gian sấy càng dài, lượng không khí cần cũng nhiều Nhưng cần lưu ý là ở giai đoạn này cần không khí chỉ với tư cách là tác nhân sấy, chứ không phải

là cung cấp oxy cho quá trình cháy

3.4 Giai đoạn thoát chất bốc và tạo cốc

Nhiên liêu đã sấy khô, nếu tiếp tục nhận nhiệt thì nhiệt độ tăng lê, chất bốc thoát

ra dần và có thể bắt đầu cháy Mỗi loại nhiên liệu bắt đầu thoát chất bốc ở nhiệt độ khác nhau

Trong quá trình đốt nóng nhiên liệu, nhiều hợp chất cacbua hydro bị nhiệt phân thành những nguyên tố đơn giản cacbon và hydro Những hợp chất hữu cơ gồm nhiều hydro thường dễ thoát chất bốc, dễ phân hủy và dễ cháy nhưng nhiệt từ các chất bốc thường không cao và cháy với ngọn lửa không sáng Khó nhiệt phân nhất là mêtan, nhưng lại cho những chất điểm cacbon ở thể rắn rất khó cháy gọi là muội than Những loại nhiên liệu chứa nhiều mêtan như dầu madút, khí thiên nhiên, khi cháy hình thành nhiều hạt muội than nóng đỏ tạo thành ngọn lửa sáng và tăng khả năng truyền nhiệt bức xạ của ngọn lửa

3.5 Giai đoạn cháy

Cháy là quá trình phản ứng hóa học giữa oxy và các thành phần cháy được có tỏa nhiều nhiệt và ánh sáng Tốc độ cháy phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ chất cháy được

Ở một nhiệt độ nhất định, tốc độ cháy phụ thuộc vào nồng độ chất cháy được trong hỗn hợp nhiên liệu và không khí Nồng độ thấp, tốc độ cháy chậm; nồng độ cao, tốc độ cháy nhanh Còn ở một nồng độ nhất định, tốc độ cháy phụ thuộc rất nhiều vào nhhiệt độ, ảnh hưởng của nhiệt độ đối với quá trình cháy lớn hơn rất nhiều ảnh hưởng của nồng độ Nhiệt độ bắt lửa của các loại nhiên liệu không giống nhau

Sau khi bắt lửa, tốc độ cháy càng mãnh liệt, tuy nồng độ chất cháy giảm dần; đó

là do nhiệt độ buồng lửa tăng cao Cho đến khi cháy hết khoảng 80 đến 90% chất cháy được thì phản ứng mới giảm dần tốc độ

Như vậy để nhiên liệu có thể cháy triệt để cần có các điều kiện sau:

- Nhiệt độ đủ cao, nhiệt độ càng cao thì quá trình cháy càng tốt

- Hệ số không khí thừa thích hợp, quá nhỏ thì không đủ oxy, quá lớn làm cho nhiệt độ giảm xuống

- Thời gian lưu lại trong buồng lửa của nhiên liệu đủ dài

Tuy nhiên các điều kiện trên không phải có tác dụng riêng rẽ mà có ảnh hưởng lẫn nhau rất nhiều

Nếu nhiệt độ trong buồn lửa thấp thì phản ứng cháy chậm, đòi hỏi thời gian lưu lại trong buồng lửa dài thì hạt nhiên liệu mới kịp cháy hết trước khi ra khỏi buồng lửa Nếu nhiệt độ trong buồng lửa càng cao, phản ứng càng nhanh thì thời gian lưu lại trong buồng lửa không cần dài cũng có thể cháy hoàn toàn được Hơn nữa khi phản ứng cháy diễn ra càng nhanh, nhiệt lượng tỏa ra càng nhiều, nhiệt độ lại càng cao thì đòi hỏi thời gian lưu lại trong buồng lửa lại càng ngắn

Hệ số không khí thừa có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy, vì nó có ảnh hưởng rất lớn đến nhiệt độ trong buồng lửa Nhiệt độ buồng lửa không chỉ phụ thuộc vào số lượng và chất lượng nhiên liệu đưa vào mà còn phụ thuộc rất nhiều vào lượng không khí và khả năng tiếp xúc giữa không khí với nhiên liệu

Nếu không khí đưa vào vừa đủ, tức hệ số không khí thừa α = 1, đồng thời hỗn hợp tốt thì nhhiệt lượng tỏa ra ứng với 1 kg hỗn hợp nhiên liệu và không khí là lớn nhất (hình 1.9)

Hình 1.10: Quan hệ giữa nhiệt lượng tỏa ra với hệ số không khí thừa

Nếu thiếu không khí, tức là α < 1 thì phản ứng cháy không hoàn toàn, nhiệt lượng tỏa ra ít hơn Nếu α > 1 thì hỗn hợp loãng, lượng nhiên liệu trong 1 kg hỗn hợp ít, nên nhiệt lượng phát ra ít, nhiệt độ trong buồng lửa thấp, cháy chậm và dễ cháy không hoàn toàn

Việc chọn hệ số không khí thừa thích hợp thường dựa theo kinh nghiệm và thực nghiệm, tùy theo loại nhiên liệu, cách đốt cũng như hình dạng và kích thước buồng lửa Không khí có thể đưa vào cùng một lúc với nhiên liệu hoặc đi qua lớp nhiên liệu, lượng không khí này thường gọi là gió cấp một, cũng có thể đưa riêng thêm sau để cháy kiệt nhiên liệu, cải thiện quá trình cháy, lượng không khí này thường được gọi là gió cấp hai Tỉ lệ gió cấp một và cấp hai cũng phụ thuộc vào tính chất của nhiên liệu

và cách đốt

3.6 Giai đoạn tạo tro xỉ

Sau quá trình cháy, những chất rắn không cháy được sẽ tạo thành tro xỉ Tro là những chất rắn không cháy được nhưng không bị nóng chảy còn xỉ chính là tro nóng chảy tạo thành

4 Giới thiệu lò hơi của công ty Thuốc lá Thăng Long

4.1 Các thông số của lò hơi

Lò hơi của công ty do Đức chế tạo năm 1975 có các thông số hoạt động như sau:

* Các đặc tính kỹ thuật của lò hơi:

- Áp suất thiết kế: 11,76 bar

- Áp suất làm việc: 10,78 bar

- Nhiệt độ làm việc: ≤ 187 0C

- Công suất: 4.670 kG/h

- Nhiên liệu sử dụng: Than Antraxít

- Công dụng: sản xuất hơi bão hòa

* Các thông số của nhiên liệu:

- Lượng than tiêu thụ 472 kg/h

- Nhiệt độ nước vào 700C

4.2 Quá trình vận hành hệ thống cấp hỗn hợp nhiên liệu cho lò hơi

Lò hơi của công ty đưa vào vận hành từ năm 1975 đến nay các hệ thống điều khiển tự động đều đã hỏng Hiện tại việc cung cấp hỗn hợp cho lò hơi được vận hành hoàn toàn thủ công và dựa vào kinh nghiệm vận hành của người vận hành Khi cần tăng nhu cầu tải thì người vận hành sẽ điều chỉnh tăng lượng nhiên liệu và lượng không khí dựa theo kinh nghiệm vận hành Khi cần giảm phụ tải thì giảm bớt lượng không khí cấp rồi căn cứ theo ngọn lửa để giảm lượng nhiên liệu

Với phương thức vận hành như vậy gây lãng phí nhiều nhiên liệu nhưng không đạt được hiệu suất lò cao nhất Do đó nhu cầu cải tạo hệ thống cung cấp hỗn hợp nhiên liệu để đảm bảo tỉ lệ nhiên liệu và không khí phù hợp đảm bảo hiệu suất cháy cao nhất

Như vậy, mục tiêu của luận văn là thiết kế bộ điều khiển có các bộ thông số tối

ưu để điều khiển quá trình cháy diễn ra trong buồn lửa lò hơi công ty Thuốc lá Thăng Long sao cho tỷ lệ cấp nhiên liệu/không khí α cho lò hơi luôn đạt giá trị tối ưu, giá trị này có thể thay đổi bằng tay bởi người vận hành trong suốt quá trình vận hành bình thường Tín hiệu đầu vào là tín hiệu lưu lượng nhiên liệu và tín hiệu đầu ra là tín hiệu lưu lượng không khí và tín hiệu lưu lượng nhiên liệu

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU

1 Định nghĩa

Điều khiển tối ưu là một chuyên ngành cơ bản trong điều khiển tự động, nó có vai trò xác định và tạo lập những luật điều khiển cho hệ thống để hệ thống đạt được

chỉ tiêu về tính hiệu quả đã được định trước dưới dạng (phiếm) hàm mục tiêu Q

Trong thực tế tồn tại các bài toán điều khiển tối ưu như sau:

- Bài toán tối ưu cực tiểu:

+ Xác định tham số của mô hình sao cho bình phương sai lệch trung bình giữa

mô hình và đối tượng đạt giá trị nhỏ nhất, ví dụ như huấn luyện mạng nơ-ron, nhận dạng đối tượng,

+ Điều khiển một quá trình đạt chỉ tiêu chất lượng, kỹ thuật cho trước sao cho tổn hao năng lượng là nhỏ nhất

+ Tạo ra một sản phẩm đạt chỉ tiêu chất lượng cho trước nhưng chi phí là nhỏ nhất

+ Bài toán tìm đường đi ngắn nhất giữa hai điểm bất kỳ, ví dụ như xác định quĩ đạo chuyển động của cánh tay robot, đường đi thu rác, thu tiền điện, thu tiền nước, đi chào hàng

- Bài toán tối ưu cực đại

+ Tạo ra sản phẩm với chi phí cho trước, nhưng có chất lượng cao nhất

+ Bài toán tìm đường căng

- Bài toán tối ưu tác động nhanh: Thời gian xảy ra quá trình là ngắn nhất, ví dụ như điều khiển tên lửa

2 Điều kiện hạn chế

Cho hệ thống nhiều đầu vào và nhiều đầu ra, được mô tả bởi hệ các phương trình như sau:

y = f(x,u) được gọi là mô hình toán học

u = (u1 u2 ur)T là các đầu vào

x = (x1 x2 xn)T là các trạng thái

y = (y1 y2 ym)T là các đầu ra

Do bài toán tối ưu được thực hiện trên mô hình hệ thống, cho nên lời giải của bài toán tối ưu phụ thuộc vào độ chính xác của mô hình hệ thống

Những tín hiệu không thể mô tả được trong các phương trình trên sẽ được coi là nhiễu tác động

3 Bài toán điều khiển tối ưu

Bài toán tối ưu được xây dựng dựa trên các giả thiết sau:

+ Có một mô hình toán học

+ Không có nhiễu tác động

+ Biết các điều kiện biên của mô hình như : điểm làm việc, thời gian làm việc của hệ thống

+ Biết miền giá trị cho phép của các đầu vào u

+ Biết hàm mục tiêu Q mô tả tính hiệu quả mà hệ thống cần đạt được

Mục đích của điều khiển tối ưu là tìm tín hiệu tối ưu u* để hàm mục tiêu Q đạt giá trị cực đại hoặc cực tiểu

Với yêu cầu lựa chọn được bộ tham số tối ưu cho bộ điều khiển quá trình cháy, thì nhiệm vụ bài toán điều khiển đặt ra là phải xác định được bộ tham số điều khiển sao cho bình phương sai lệch giữa tín hiệu ra y(t) và tín hiệu vào w(t) là nhỏ nhất, nghĩa là:

t e dt t y t w

Q

Với những giả thiết này có rất nhiều phương pháp giải bài toán điều khiển tối ưu khác nhau và được chia thành hai nhóm chính như sau:

+ Điều khiển tối ưu tĩnh

+ Điều khiển tối ưu động

3.1 Điều khiển tối ưu tĩnh

Bài toán điều khiển tối ưu tĩnh là bài toán trong đó quan hệ vào, ra và biến trạng thái của mô hình không phụ thuộc vào thời gian Giá trị đầu ra tại một thời điểm chỉ phụ thuộc vào các đầu đầu vào và trạng thái tại thời điểm đó

Mô hình hệ thống được cho như sau:

yk = fk(u1, u2, ur), với k = 1, 2, , m, viết gọn lại thành y = f(u) Hàm mục tiêu như sau: Q = Q(u,y)

Thay y = f(u) vào hàm mục tiêu được: Q = Q(u,y) = Q(u,f(u)) = Q(u), như vậy Q chỉ phụ thuộc vào các đầu vào và đầu ra

3.1.1 Mô tả toán học

Mô hình hệ thống có dạng như sau: y = f(u) với u ∈U

u = (u1 u2 ur)T các đầu vào

y = (y1 y2 ym)T các đầu ra

U là miền thích hợp của các biến đầu vào, được định nghĩa như sau:

U {u=( u 1, u 2,…, u ñ ) T u kmin ≤ u k ≤ u kmax ; k=1 : r}

Hàm mục tiêu có dạng như sau: Q = Q(u,y) = Q(u,f(u)) = Q(u)

Không mất tính tổng quát nếu giả thiết tiêu chuẩn tối ưu là: Q(u) →min

Bài toán điều khiển tối ưu tĩnh được phát biểu như sau: Tìm tín hiệu tối ưu u*

∈U , sao cho Q(u*) đạt giá trị nhỏ nhất Khi đó, ta có

Q( u * ) ≤ Q (u) ∀u∈U (1)

Nếu u* thoả mãn (1) với mọi u thuộc U, thì u* được gọi là véc tơ tối ưu toàn cục Nếu u* thoả mãn (1) với mọi u thuộc lân cận u*,thì u* được gọi là véc tơ tối ưu cục bộ

3.1.2 Biểu diễn hình học

Xét hệ thống có hai tín hiệu đầu vào u1 và u2 Hàm mục tiêu Q chỉ phụ thuộc vào

u1 và u2, Q = Q(u1,u2)

Giả thiết hàm mục tiêu Q có đồ thị như hình 3.1

Vậy điểm tối ưu u* =

* 1

Tập hợp các điểm nằm trong mặt phẳng (u1,u2), tại các điểm đó hàm mục tiêu Q

có cùng giá trị được gọi là đường đồng mức

Hình 2.1: Đồ thị hàm mục tiêu

3.1.3 Giả thiết cho lời giải

* Bài toán tối ưu không có giới hạn

- Nghiệm u* của bài toán tối ưu không có giới hạn là một điểm cực trị Các điểm cực trị thoả mãn hệ phương trình vi phân ∂

∂ , véc tơ đạo hàm riêng grad Q có các tính chất sau:

+ Có phương vuông góc với mặt cong Q

+ Có hướng chỉ chiều tăng giá trị của các đường đồng mức

+ Có độ lớn thể hiện tốc độ tăng hay giảm giá trị của Q Do đó tại điểm cực trị của mặt cong Q phải có grad Q = 0 (*) Hệ phương trình này chỉ là điều kiện cần để tìm nghiệm tối ưu u*

Để giải hệ phương trình (*) sẽ gặp những vấn đề sau:

+ Hệ phương trình (*) là hệ phi tuyến, dẫn đến việc giải trực tiếp khó thực hiện được

+ Có nhiều điểm u* thoả mãn hệ phương trình (*) nhưng không phải là nghiệm tối ưu Thực tế, các phương pháp gần đúng được sử dụng nhiều hơn, theo thuật toán tìm nghiệm từng bước

Thuật toán tìm nghiệm từng bước

Kiểm tra điều kiện

Nếu || uk - uk-1|| ≤ ε chuyển sang bước 5

Nếu || uk - uk-1|| > ε quay về bước 2

+ Bước 5:

Nghiệm tối ưu gần đúng là u* = uk với độ chính xác là ε

* Bài toán tối ưu có giới hạn

Bản chất là tìm nghiệm tối ưu u* gần đúng cho bài toán mà u bị giới hạn bởi miền thích hợp U Thuật toán tìm nghiệm từng bước về cơ bản cũng giống như trên, nhưng cần phải chú ý các trường hợp sau:

+ Nếu nghiệm tối ưu u* không nằm trên biên của U thì grad Q = 0 vẫn là điều kiện cần để tìm u*

+ Nếu trong miền thích hợp U không tồn tại nghiệm u* thoả mãn điều kiện gradQ

= 0, khi đó nghiệm tối ưu u* nằm trên biên của U và tại điểm u* véc tơ đạo hàm riêng grad Q phải có hướng vào trong miền U

Thuật toán tìm nghiệm tối ưu u* cho bài toán tối ưu có giới hạn:

+ Bước 1:

Cho ε > 0 bé tuỳ ý, chọn u0 bất kỳ

Thực hiện các bước sau với k = 1, 2

Kiểm tra điều kiện

Nếu || uk - uk-1|| ≤ ε chuyển sang bước 5

Nếu || uk - uk-1|| > ε quay về bước 2

a.2 Phương pháp Gauss/ Seidel

Cho mô hình hệ thống y = f(u)

Hàm mục tiêu được định nghĩa là Q = Q(u)

Tìm u* để cho Q đạt giá trị nhỏ nhất, tức là Q→min

Giả sử u*nghiệm tối ưu thoả mãn Q→min, ký hiệu u* = argminQ

Nội dung của phương pháp Gauss/Seidel

+ Hướng tìm được chọn song song với các trục toạ độ ui với i = 1, 2, , r Kí hiệu hướng tìm ở bước thứ k là hk

+ Khoảng cách bước tìm ở bước thứ k được ký hiệu là sk, sk được xác định như sau: s*k = argmin Q( uk + skhk )

Thuật toán tìm nghiệm của Gauss/Seidel

, hk là véc tơ có r hàng,

chỉ có hàng thứ k + 1 có giá trị bằng 1, các hàng khác đều bằng không

- Xác định khoảng cách bước tìm sk: sk được xác định sao cho hàm mục tiêu đạt giá trị nhỏ nhất trên hướng tìm hk s*k = argminQ(uk + skhk)

+ Bước 3:

uk+1 = uk + sk* hk

+ Bước 4: Kiểm tra điều kiện

Nếu || uk+1 – uk || ≤ ε chuyển sang bước 5

Nếu || uk+1 – uk || > ε quay về bước 2

1+ s0 ⎥

1 s0

Q(u1) = (1 + s0 )2 + 2 – 3 , ta có

0

1 ) (

s

u Q

∂

∂ = 2(1 + s

0 ) = 0, Suy ra S0 = -1 Vậy S0* = argminQ(u1) = -1

1+ s0 ⎥

0+ s1 ⎥

s

u Q

∂

∂

= 4(1 + s1 ) = 0, Suy ra S1 = -1 Vậy S1* = argminQ(u2) = -1

0+ s2 ⎥

∂

∂

= 2s2 = 0, Suy ra S2 = 0

Sau hai vòng tính ta đã tìm được nghiệm tối ưu u* = u2

Ưu điểm của phương pháp là: nếu hệ thống có r đầu vào, hàm mục tiêu có dạng chính phương thì nghiệm tối ưu u* sẽ được tìm thấy sau đúng r vòng

b Phương pháp Newton-Raphson

b.1 Nội dung của phương pháp

Phương pháp tìm nghiệm tối ưu sử dụng đạo hàm bậc nhất và bậc hai của hàm mục tiêu nên phải giả thiết hàm mục tiêu Q(u) khả vi hai lần Để giải hệ phương trình

u

u

Q

∂

∂ ( ) = 0 (**) bằng phương pháp giải tích, trước tiên hệ (**) được khai triển thành

chuỗi Taylor tại uk thuộc lân cận nghiệm tối ưu u* và là nghiệm của (**) như sau:

∂

∂

k

u = 0

1

2 2

1 2

r

u

Q u

u Q

u u

Q u

Bước 4: Kiểm tra điều kiện

Nếu || u k+1 - u k || ≤ ε chuyển sang bước 5

Nếu || u k+1 - u k || > ε quay về bước 2

1 2

2 1

8

6

u u

u u

2 1 2

u u Q u

u Q

u u

Q

= ⎢

⎣

⎡1

6 ⎥

⎦

⎤81

2 1

8

6

u u

u u

0

- 47

⎦

⎤

−6

1 = ⎥

2 1

8

6

u u

u u

0

- 47

⎦

⎤

−6

0 = ⎥