Nghiên cứu phương pháp chỉnh định hệ thống điều khiển quá trình nhiệt điện trong điều kiện phụ tải biến đổi

Khi tổ máy phải làm việc trong điều kiện phụ tải biến đổi, đặc biệt trong dải rộng, tăng/giảm công suất lớn sẽ làm cho các tham số quá trình tác động tương hỗ mạnh, tính chất phi tuyến c

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

LỜI CAM ĐOAN vi

LỜI CẢM ƠN vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x

1 Sự cần thiết của đề tài 1

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

3 Phương pháp nghiên cứu 3

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

5 Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu 4

6 Cấu trúc của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHỈNH ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐIỆN 5

1.1 Tổng quan về công nghệ nhiệt điện 5

1.1.1 Nguyên lý làm việc cơ bản của NMNĐ đốt than 5

1.1.2 Lò hơi NMNĐ theo thông số hơi chính 7

1.1.3 Công nghệ đốt than của lò hơi NMNĐ 7

1.1.3.1 Công nghệ đốt than phun (Pulverized Coal - PC) 7

1.1.3.2 Công nghệ đốt tầng sôi tuần hoàn (CFB) 8

1.2 Đặc trưng của quá trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện 10

1.2.1 Tính phức tạp và tương hỗ của thông số quá trình 10

1.2.2 Đặc trưng bất định và phi tuyến của đối tượng nhiệt trong NMNĐ 11

1.2.2.1 Phụ tải biến đổi do yêu cầu vận hành 11

1.2.2.2 Phụ tải biến đổi do sự cố 12

1.3 Hệ thống điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ 13

1.3.1 Các hệ thống điều khiển cơ bản 15

1.3.1.1 Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin 15

1.3.1.2 Điều khiển công suất lò hơi 17

1.3.1.3 Điều khiển cấp không khí cho buồng đốt 17

1.3.1.4 Điều khiển mức nước bao hơi 18

1.3.1.5 Điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt/tái nhiệt 18

1.3.2 Cấu hình đặc trưng hệ điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ 20

1.3.2.1 Cấu trúc tầng hai vòng 20

1.3.2.2 Bộ điều khiển PID 21

1.4 Chỉnh định hệ thống điều khiển trong NMNĐ 21

1.4.1 Cơ bản về chỉnh định hệ tầng 21

1.4.2 Phương pháp ứng dụng thực tế 22

1.4.2.1 Chỉnh định theo phương pháp cơ bản 22

1.4.2.2 Chỉnh định thực tế 24

1.4.3 Hạn chế của phương pháp chỉnh định truyền thống 25

1.4.4 Chỉnh định và vận hành ở các NMNĐ Việt Nam 25

1.4.4.1 Công tác chỉnh định và thử nghiệm 25

1.4.4.2 Thực tế vận hành 26

1.5 Các phương pháp chỉnh định nâng cao 27

1.5.1 PID tự động điều chỉnh (Auto-tuning PID) 28

1.5.2 Gain-scheduling PID 29

1.6 Đánh giá tổng quan 30

1.7 Đặc tính quá độ của quá trình nhiệt NMNĐ 31

1.7.1 Đặc tính quá độ của đối tượng 31

1.7.2 Quá trình nhiệt có tự cân bằng 31

1.7.2.1 Đặc tính động học đặc trưng 31

1.7.2.2 Trường hợp đặc biệt 33

1.7.2.3 Đặc tính quá độ của van điều chỉnh 34

1.7.3 Quá trình nhiệt không có tự cân bằng 35

1.8 Nhận dạng đối tượng đang làm việc và mô hình bất định 37

1.8.1 Yêu cầu nhận dạng đối tượng đang làm việc 37

1.8.2 Mô hình bất định tổng quát 38

1.9 Lý thuyết bộ điều khiển bền vững và chỉ số dao động mềm 39

1.9.1 Giới thiệu 39

1.9.2 Khái niệm chỉ số dao động và bộ điều khiển bền vững [87, 88] 39

1.9.3 Chỉ số dao động mềm và hằng số quán tính của bộ điều khiển bền vững ………41

1.9.3.1 Chỉ số dao động mềm 41

1.9.3.2 Đường biên mềm và đặc tính mềm [87, 88] 41

1.9.3.3 Đặc tính mềm và độ dự trữ ổn định của hệ thống 42

1.9.3.4 Xác định hằng số quán tính của bộ điều khiển bền vững [20, 88] 42

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 44

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐIỆN 45

2.1 Giới thiệu 45

2.2 Mô hình hóa quá trình nhiệt NMNĐ vòng hở 45

2.2.1 Lựa chọn mô hình 45

2.2.1.1 Quá trình có tự cân bằng 46

2.2.1.2 Quá trình không có tự cân bằng 47

2.2.2 Xây dựng hàm mục tiêu 48

2.2.2.1 Đối tượng nhiệt có tự cân bằng 48

2.2.2.2 Đối tượng nhiệt không có tự cân bằng 50

2.2.3 Lựa chọn mô hình cho quá trình có tự cân bằng 50

2.3 Nhận dạng đối tượng nhiệt NMNĐ trong vòng kín 51

2.3.1 Lựa chọn xung kích thích 51

2.3.1.1 Xung chữ nhật 52

2.3.1.2 Xung hàm mũ 52

2.3.1.3 Xung tam giác 53

2.3.2 Xác định đặc tính tần số của đối tượng 53

2.3.2.1 Công thức xác định 53

2.3.2.2 Xác định đặc tính tần số từ đặc tính thời gian 55

2.3.3 Nhận dạng đối tượng vòng ngoài 57

2.3.3.1 Xác định thành phần cơ sở 57

2.3.3.2 Xác định thành phần bất định 59

2.3.4 Nhận dạng đối tượng vòng trong 61

2.3.5 Xác định dải tần số bản chất nhận dạng đối tượng 61

2.4 Phương pháp giải bài toán tối ưu 63

2.4.1 Giới thiệu 63

2.4.2 Thuật toán tối ưu hóa vượt khe nhận dạng quá trình nhiệt NMNĐ 63

2.4.3 Xác định véctơ gradient của hàm không trơn 66

2.4.4 Xác định véc tơ xuất phát cho bài toán tối ưu 66

2.4.4.1 Bài toán nhận dạng đối tượng vòng hở 66

2.4.4.2 Bài toán nhận dạng vòng kín 68

2.5 Ứng dụng phương pháp nhận dạng đối tượng 71

2.5.1 Nhận dạng đối tượng vòng hở 71

2.5.1.1 Đối tượng nhiệt có tự cân bằng 71

2.5.1.2 Quá trình nhiệt có tính chất tích phân 80

2.5.2 Nhận dạng đối tượng trong vòng kín 83

2.6 Kết quả và thảo luận 90

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 91

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP CHỈNH ĐỊNH BỘ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐIỆN 93

3.1 Giới thiệu 93

3.2 Chỉ số bền vững của hệ thống điều khiển 93

3.3 Xác định chỉ số bền vững tối ưu theo kênh đặt 95

3.4 Chỉnh định bộ điều khiển trong chế độ khởi động [CT1, 2] 97

3.4.1 Giới thiệu 97

3.4.2 Nhận dạng đối tượng và tổng hợp bộ điều khiển vòng trong 99

3.4.3 Nhận dạng đối tượng và tổng hợp bộ điều khiển vòng ngoài 99

3.5 Phương pháp chỉnh định đối tượng nhiệt điện đang làm việc 100

3.5.1 Giới thiệu 100

3.5.2 Đặc tính mềm của hệ tầng hai vòng 100

3.5.2.1 Đặc tính mềm của hệ tương đương R1 100

3.5.2.2 Đặc tính mềm của hệ tương đương R2 102

3.5.3 Tính bất định của đặc tính mềm và độ bền vững của hệ thống 103

3.5.4 Phương pháp xác định đặc tính mềm “xấu nhất” 104

3.5.5 Phương pháp chỉnh định theo đặc tính mềm xấu nhất [CT6] 105

3.5.5.1 Phương pháp đề xuất 105

3.5.5.2 Tổng hợp các bộ điều chỉnh cho thành phần cơ sở 106

3.5.5.3 Chỉnh định bộ điều khiển theo đặc tính mềm xấu nhất 111

3.6 Minh họa phương pháp chỉnh định 113

3.6.1 Tổng hợp các bộ điều khiển cho thành phần cơ sở 114

3.6.2 Chỉnh định bộ điều khiển theo đặc tính mềm xấu nhất 115

3.6.3 Chất lượng hệ thống điều khiển 117

3.7 Kết quả và bàn luận 118

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 119

CHƯƠNG 4 THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG 120

4.1 Giới thiệu 120

4.2 Thực nghiệm từ số liệu thực nhà máy nhiệt điện 120

4.3 Thực nghiệm phương pháp trên mô hình thí nghiệm 123

4.3.1 Mô hình thí nghiệm 123

4.3.2 Cấu trúc điều khiển 125

4.3.3 Các thiết bị trong hệ thống thí nghiệm 126

4.3.4 Bộ điều khiển PID số hệ điều khiển tầng 127

4.3.5 Phần mềm điều khiển hệ thống 128

4.3.6 Thực nghiệm trên hệ thống 131

4.3.6.1 Xây dựng đặc tính thiết bị 131

4.3.6.2 Tổng hợp bộ điều khiển và kiểm tra hệ thống 133

4.4 Kết quả và thảo luận 141

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 142

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 143

Các kết quả đạt được của luận án 143

Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo 143

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 151

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi Công trình được thực dưới sự hướng dẫn của PGS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh Kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được công bố bởi tác giả nào khác

Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2018

Người hướng dẫn khoa học Tác giả

Đỗ Cao Trung PGS TSKH Nguyễn Văn Mạnh

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy hướng dẫn PGS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh đã tận tình hướng dẫn và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Trường ĐH Bách Khoa HN, Phòng đào tạo Trường ĐH Bách Khoa HN, Viện KH&CN Nhiệt-Lạnh, Bộ môn TĐH&ĐK quá trình Nhiệt-Lạnh, Xưởng chế tạo thiết bị áp lực (Viện KH&CN Nhiệt-Lạnh) đã

hỗ trợ và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã chia sẽ, cổ vũ động viên để tôi có thể hoàn thành luận án

Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2018

Tác giả

Đỗ Cao Trung

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT

a 0 , a 1 , … a n Giây; phút Hằng số quán tính của mẫu thức

a 11 , a 12 , a 13 Tham số số hóa bộ điều khiển R1(s)

a 21 , a 22 , a 23 Tham số số hóa bộ điều khiển R2(s)

b 0 , b 1 , … b n Giây; phút Hằng số quán tính của tử thức

(Coordinated control system)

IFOPDT Tích phân quán tính bậc nhất và có trễ

(Integrating first order plus dead time)

IFOPDTZ

Tích phân quán tính bậc hai có trễ với một điểm không dương (Integrating first order plus dead time with a zero)

(rpm) Bộ truyền tín hiệu tốc độ (Speed transitter)

SOPDT Quán tính bậc hai có trễ (Second order plus

tuabin)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu hình điển hình một tổ máy NMNĐ [92] 5

Hình 1.2 Sơ đồ nhiệt nguyên lý một tổ máy NMNĐ 6

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý lò hơi đốt than phun 8

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý lò hơi tầng sôi tuần hoàn 9

Hình 1.5 Ảnh hưởng tương hỗ thông số quá trình lò hơi 10

Hình 1.6 Đáp ứng của áp suất hơi và công suất với lưu lượng nhiên liệu 12

Hình 1.7 Cấu trúc điều khiển cơ bản trong NMNĐ [76] 14

Hình 1.8 Cấu trúc cơ bản hệ thống điều khiển NMNĐ 15

Hình 1.9 Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin lò theo máy [82] 16

Hình 1.10 Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin máy theo lò [82] 16

Hình 1.11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tải lò hơi 17

Hình 1.12 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cấp không khí cho buồng đốt 17

Hình 1.13 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mức nước bao hơi [4] 18

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt [82] 19

Hình 1.15 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt 20

Hình 1.16 Cấu trúc điển hình điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ 20

Hình 1.17 Phương pháp chỉnh định trong mạch vòng hở [84] 23

Hình 1.18 Phương pháp Zigler-Nichols 2 [84] 23

Hình 1.19 Phương pháp suy giảm giao động [84] 24

Hình 1.20 Nguyên lý phương pháp PID tự chỉnh [82] 28

Hình 1.21 Nguyên lý gain-scheduling PID [82] 29

Hình 1.22 Đặc tính động học quá trình nhiệt NMNĐ 32

Hình 1.23 Đặc tính động học đặc trưng quá trình nhiệt có tự cân bằng 32

Hình 1.24 Đáp ứng xung bậc thang của áp suất hơi khi tănglưu lượng nhiên liệu 33 Hình 1.25 Đáp ứng xung bậc thang của công suất khi tăng/giảm góc ở van TV 33

Hình 1.26 Đặc tính quá độ của đối tượng nhiệt có quá điều chỉnh 34

Hình 1.27 Đặc tính lưu lượng (a) và đặc tính thời gian (b) của van 34

Hình 1.28 Đặc tính thời gian của van điều khiển 35

Hình 1.29 Đặc tính động học của mức nước bao hơi 36

Hình 1.30 Đặc tính đối tượng nhiệt không có tự cân bằng 36

Hình 1.31 Đặc tính cơ sở và điểm biến thiên bất định 38

Hình 1.32 Đồ thị các bán kính bất định và đường phủ trên [88] 39

Hình 1.33 Hệ điều khiển kín một vòng 40

Hình 1.34 Biến thiên của chỉ số dao động mềm theo tần số 41

Hình 1.35 Đường biên mềm AOB 42

Hình 1.36 Đường cong đặc tính mềm của hệ hở m = mc = 0,461 44

Hình 2.1 Đặc tính quá độ đặc trưng của các quá trình nhiệt NMNĐ 46

Hình 2.2 Đặc tính quá độ chữ “S” của quá trình có tự cân bằng 46

Hình 2.3 Phân tích đặc tính của đối tượng không có tự cân bằng 48

Hình 2.4 Phân tích đặc tính chữ “S” của quá trình có tự cân bằng 50

Hình 2.5 Cấu hình điều khiển tầng quá trình nhiệt NMNĐ 51

Hình 2.6 Xung chữ nhật với τ = 0.3, T = 1, u0 = 1 52

Hình 2.7 Xung parabol với τ = 0,2, a = 1, u0 = 1 53

Hình 2.8 Xung tam giác với τ = 0.5, T = 1, u0 = 1 53

Hình 2.9 Đặc tính thời gian và đường gấp khúc xấp xỉ 55

Hình 2.10 Xung tam giác với τ = 0.5, T = 1, u0 = 1 56

Hình 2.11 Đặc tính tần số đặc trưng của đối tượng có tự cân bằng 62

Hình 2.12 Giải tần số bản chất đối tượng có tự cân bằng 62

Hình 2.13 Giải tần số bản chất đối tượng không có tự cân bằng 63

Hình 2.14 Sự hình thành hướng cải tiến được 64

Hình 2.15 Lưu đồ thuật toán tối ưu hóa vượt khe theo hướng trực giao tựa nón 65

Hình 2.16 Lưu đồ xác định bước vượt khe 65

Hình 2.17 Đáp ứng động học của đối tượng không có tự cân bằng 67

Hình 2.18 Dạng đặc tính thời gian của O°1 có tự cân bằng 69

Hình 2.19 Đặc tính thời gian đối tượng không có tự cân bằng 70

Hình 2.20 Một đặc tính thời gian của O°2( )s 70

Hình 2.21 Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O1(s) 71

Hình 2.22 Đáp ứng xung bậc thang đơn vị và đặc tính tần số của O1(s) và O1’(s) 72 Hình 2.23 Đáp ứng xung bậc thang của đối tượng O2(s) 73

Hình 2.24 Đặc tính quá độ và tần số của O2(s) và đối tượng xấp xỉ O2 ’(s) 73

Hình 2.25 Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O3(s) 74

Hình 2.26 Đặc tính động học và tần số của O s3( ) và ' ( ) 3 O s , '( ) 3 ' O s , '( ) 3 '' O s 75

Hình 2.27 Đặc tính động học và tần số của O s3( ) và (1)( ) 3 O s , (2)( ) 3 O s 76

Hình 2.28 Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O4(s) 76

Hình 2.29 Đặc tính động học và tần số của O4(s) và O’4 (s) 77

Hình 2.30 Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O5(s) 78

Hình 2.31 Đặc tính động học và tần số của O s5( ) và ' ( ) 5 O s , '( ) 5 ' O s 78

Hình 2.32 Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O6(s) 79

Hình 2.33 Đặc tính động học và tần số của O s6( ) và ' ( ) 6 O s , '( ) 6 ' O s 80

Hình 2.34 Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O7(s) 80

Hình 2.35 Đáp ứng động học xung bậc thang của các đối tượng 81

Hình 2.36 Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O8(s) 82

Hình 2.37 Đáp ứng xung bậc thang của các đối tượng 82

Hình 2.38 Đáp ứng xung bậc thang và đặc tính tần số của các đối tượng 83

Hình 2.39 Cấu hình điều khiển tầng quá trình nhiệt NMNĐ 83

Hình 2.40 Mức biến đổi áp suất hơi theo nhiên liệu cấp lò [79] 84

Hình 2.41 Đặc tính thời gian y1(t) 85

Hình 2.42 Đặc tính tần số Y1(s) 86

Hình 2.43 Đặc tính thời gian y2(t) 86

Hình 2.44 Đặc tính tần số Y2(s) 86

Hình 2.45 Ảnh tần số O1(s) 87

Hình 2.46 Đặc tính tần số O1(s) và kết quả nhận dạng 87

Hình 2.47 Bán kính bất định của O s%1( ) (ω = 0,5÷3) 87

Hình 2.48 Đặc tính tần số O2(s) và kết quả nhận dạng 88

Hình 2.49 Biến thiên thời gian của mô hình 88

Hình 2.50 Biến thiên tần số của mô hình gốc O%1( )s 89

Hình 2.51 Biến thiên thời gian của mô hình gốc O%2( )s 89

Hình 2.52 Biến thiên tần số của mô hình gốc O%2( )s 90

Hình 3.1 Hệ điều khiển kín một vòng 94

Hình 3.2 Đường biên mềm A’OB’ khi giảm chỉ số dao động 94

Hình 3.3 Đặc tính mềm với ω = 0 → +∞ 95

Hình 3.4 Biến thiên của f(x) theo x 97

Hình 3.5 Cấu trúc hệ thống khi có bộ điều khiển 97

Hình 3.6 Cấu trúc hệ thống khi không có bộ điều khiển 98

Hình 3.7 Xung bậc thang đầu vào và đáp ứng quá trình 98

Hình 3.8 Cấu trúc tương đương của bộ điều khiển R1 101

Hình 3.9 Hệ một vòng tương đương của bộ điều khiển R1 101

Hình 3.10 Hệ tương đương của bộ điều khiển R1 cho thành phần cơ sở [23] 101

Hình 3.11 Hệ một vòng tương đương của bộ điều khiển R1 102

Hình 3.12 Cấu trúc tương đương của bộ điều khiển R2 102

Hình 3.13 Hệ một vòng tương đương của bộ điều khiển R2 102

Hình 3.14 Biến thiên của đặc tính mềm hệ bất định 103

Hình 3.15 Đặc tính của khâu tương đương 107

Hình 3.16 Đặc tính mềm H1( m ω− + jω) 109

Hình 3.17 Hệ một vòng tương đương của bộ điều khiển R1 109

Hình 3.18 Hệ số k bổ sung trong mạch vòng 109

Hình 3.19 Đặc tính mềm với ω = 0 → +∞ 110

Hình 3.20 Chỉnh định theo đặc tính mềm 111

Hình 3.21 Đặc tính mềm hệ hở bất định 113

Hình 3.22 Hệ thống điều khiển áp suất hơi 114

Hình 3.23 Cấu trúc tương đương của bộ điều khiển R1 114

Hình 3.24 Đặc tính quá độ của đối tượng tương đương W1tđ 115

Hình 3.25 Đặc tính mềm H1( m ω− + jω) của hệ hở tương đương 115

Hình 3.26 Đặc tính mềm xấu nhất °H2( m ω− + jω) 116

Hình 3.27 Đặc tính mềm xấu nhất °H1( m ω− + jω) 116

Hình 3.28 Đặc tính mềm cơ sở và xấu nhất của R2(s) 117

Hình 3.29 Đặc tính mềm cơ sở và xấu nhất của R1(s) 117

Hình 3.30 Đặc tính mềm cơ sở và xấu nhất của R1(s) 118

Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển áp suất hơi quá nhiệt 121

Hình 4.2 Đặc tính thời gian của u2(t) và y2(t) từ lần đo thứ nhất 121

Hình 4.3 Đặc tính tần số của O s°2( ) từ lần đo thứ nhất 121

Hình 4.4 Tổng hợp các đặc tính tần số của ° 2( ) O s và kết quả nhận dạng 122

Hình 4.5 Đặc tính thời gian của y2(t) và y1(t) từ lần đo thứ nhất 122

Hình 4.6 Đặc tính tần số của ° 1( ) O s từ lần đo thứ nhất 123

Hình 4.7 Tổng hợp đặc tính tần số của O s°1( ) và kết quả nhận dạng 123

Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm 124

Hình 4.9 Mô hình thí nghiệm lắp đặt 124

Hình 4.10 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ tuabin 125

Hình 4.11 Cấu trúc hệ thống khi có bộ điều khiển 125

Hình 4.12 Đồ thị rời rạc hóa tín hiệu của bộ điều chỉnh PID số [15, 17] 127

Hình 4.13 Lưu đồ thuật toán lấy số liệu (Data collection) 128

Hình 4.14 Lưu đồ thuật toán điều khiển tốc độ tuabin 129

Hình 4.15 Giao diện phần mềm thu thập dữ liệu 130

Hình 4.16 Giao diện phần mềm điều khiển tốc độ tuabin 131

Hình 4.17 Đặc tính van điều khiển và tốc độ tuabin 131

Hình 4.18 Đặc tính thời gian thông số lưu lượng nước 132

Hình 4.19 Đặc tính thời gian thông số tốc độ tuabin 132

Hình 4.20 Đặc tính tần số của đối tượng O s°1( ) và kết quả nhận dạng 133

Hình 4.21 Cấu trúc điều khiển với vòng trong tự động 134

Hình 4.22 Xác định các tham số BĐK số trên giao diện 134

Hình 4.23 Đặc tính điều chỉnh tốc độ tuabin khi giảm 20% công suất 135

Hình 4.24 Đặc tính tăng tốc độ tuabin 135

Hình 4.25 Nhận dạng đối tượng bất định ° 2 O 136

Hình 4.26 Nhận dạng đối tượng bất định O°1 136

Hình 4.27 Đặc tính mềm của hệ hở ứng với R1(s) 137

Hình 4.28 Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với R2(s) 138

Hình 4.29 Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với R1(s) 138

Hình 4.30 Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với BĐK R2(s) mới 139

Hình 4.31 Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với BĐK R1(s) mới 139

Hình 4.32 Đặc tính điều chỉnh của hệ thống 139

Hình 4.33 Đặc tính điều chỉnh tốc độ tuabin khi giảm 25% công suất tải 140

Hình 4.34 Đặc tính điều chỉnh tốc độ tuabin khi tăng 25% công suất tải 141

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của đề tài

Cơ cấu nguồn năng lượng hiện tại của Việt Nam, riêng NMNĐ đốt than đã chiếm khoảng 30% tổng công suất Theo quy hoạch, đến 2030 thì NMNĐ sẽ chiếm trên 50% tổng sản lượng điện [22] Trên thế giới, NMNĐ đốt than hiện cũng chiếm khoảng 40%, NMNĐ khí khoảng 20% tổng sản lượng

Đặc trưng chung của các quá trình nhiệt trong NMNĐ là phi tuyến [13, 48, 72,

73, 76, 79] Tính chất này cùng với đặc điểm tác động tương hỗ phức tạp của các thông số dẫn đến đặc trưng phức tạp hơn của quá trình nhiệt trong NMNĐ là tính bất định

Với đặc thù công nghệ là hệ nhiều thông số vào/ra, phức tạp, tác động trực tiếp, gián tiếp lẫn nhau, trải qua thời gian dài phát triển, hệ thống điều khiển quá trình nhiệt trong NMNĐ được phân rã thành những hệ con một đầu vào, một đầu ra SISO (Single input/Single output) sử dụng các bộ điều khiển PID (bao gồm cả P, PI, PD) được nghiên cứu [36, 40, 41, 42, 69, 73, 76, 80, 82], kiểm nghiệm thực tế, thừa nhận và sử dụng rộng rãi [30, 43, 44, 54, 62, 67, 68, 74, 84]

Các hệ SISO có thể là một vòng hoặc tầng hai vòng (cascade), trong đó hệ hai vòng chiếm phần lớn và được sử dụng để điều khiển những thông số quan trọng nhất của tổ máy Hệ thống gồm nhiều mạch vòng điều chỉnh cho từng tham số quá trình, đối với mỗi vòng điều chỉnh tín hiệu tác động trực tiếp sẽ là tín hiệu điều khiển còn tín hiệu tác động khác sẽ được xác định là nhiễu

Phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID phổ biến là dựa vào kinh nghiệm chuyên gia [76] Công việc được thực hiện tại một mức tải vận hành cụ thể nào đó của NMNĐ và thường ở mức tải định mức Các tham số bộ điều khiển được tính toán và cài đặt cố định cho hệ thống Khi tổ máy phải làm việc trong điều kiện phụ tải biến đổi, đặc biệt trong dải rộng, tăng/giảm công suất lớn sẽ làm cho các tham số quá trình tác động tương hỗ mạnh, tính chất phi tuyến của quá trình/đối tượng thể hiện rõ, đặc tính của hệ thống khác xa so với điều kiện chỉnh định ban đầu thì tính đáp ứng của hệ thống bị suy giảm rõ rệt, không vận hành tự động được, ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng vận hành ổn định và hiệu suất của nhà máy Ngoài ra, tham

số bộ điều khiển thường không được cập nhật, chỉnh định lại trong vòng đời làm việc của NMNĐ cũng ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng làm việc của hệ thống khi mà đặc tính của quá trình/thiết bị nhiệt đã thay đổi rất khác theo thời gian so với thời điểm chỉnh định lúc xây dựng nhà máy Các NMNĐ ở Việt Nam là những ví

dụ rõ ràng cho các đặc điểm kể trên

Để khắc phục các hạn chế trong chỉnh định bộ điều khiển, giúp hệ thống vận hành tốt trong chế độ phụ tải biến đổi, khoảng hai thập kỷ qua rất nhiều nghiên cứu

đã được công bố Các nghiên cứu này tập trung vào hai hướng phát triển là: nâng cao chất lượng chỉnh định bộ điều khiển PID trong cấu hình SISO truyền thống và thiết kế, chỉnh định bộ điều khiển NMNĐ trong cấu hình nhiều đầu vào/ra MIMO (Multi-input/Multi-output) Trong đó điều khiển PI/PID nâng cao trong cấu hình SISO có lợi thế là không làm thay đổi cấu trúc điều khiển đã được thiết kế cho những NMNĐ đã được xây dựng cũng như không làm thay đổi gì quy trình vận hành đã có của NMNĐ

Gần đây, hai phương pháp được nghiên cứu là:

− Bộ PID tự động điều chỉnh (Auto-tuning PID) [12, 41, 48, 56, 76]

− Gain-scheduling PID [40, 59, 69, 73]

Hai phương pháp này tập trung vào việc cập nhật thông số quá trình công nghệ, tăng cường khả năng thích nghi của bộ điều khiển làm tăng tính ổn định, bền vững của hệ thống

Cùng với hướng nghiên cứu này, tác giả lựa chọn đề tài: Nghiên cứu phương pháp chỉnh định hệ thống điều khiển quá trình nhiệt điện trong điều kiện phụ tải biến đổi

Nghiên cứu sẽ tập trung vào phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID nhằm nâng cao độ bền vững của hệ thống điều khiển quá trình nhiệt điện Trong đó, lý thuyết bộ điều khiển bền vững [20, 88] sẽ được nghiên cứu áp dụng Lý thuyết này cho phép định lượng được độ dao động của hệ thống nên có nhiều hứa hẹn trong việc chỉnh định bộ điều khiển đảm bảo hệ ổn định trong dải biến thiên rộng, xử lý hiệu quả vấn đề bất định đặc trưng của quá trình nhiệt NMNĐ Đây cũng là ưu điểm nổi trội của phương pháp này so với hai phương pháp chỉnh định thường được dùng trong công nghiệp Đối với nhóm phương pháp của Zigler-Nichol 1&2 [14, 85] cho phép chỉnh định bộ điều khiển đảm bảo chỉ số dao động không thay đổi ở mức 0,22 Trong khi nhóm mô hình nội IMC (Internal Model Control) của Morari, Zafiriou và SIMC (Simple Internal Model Control) [5, 28, 77] cho phép tổng hợp bộ điều khiển

có độ bền vững tương đối cao (hơn so với nhóm thứ nhất) Tuy nhiên, những thay đổi yêu cầu độ bền vững của hệ thống cũng luôn là vấn đề của nhóm phương pháp này đồng thời chỉ số dao động của hệ thống cũng không thể xác định trước được Nếu áp dụng cho bài toán tổng hợp bộ điều khiển trong điều kiện phụ tải biến đổi, đặc biệt là biến đổi mạnh thì về bản chất phương pháp Zigler-Nichol cho phép chỉnh định hệ thống đảm bảo độ dự trữ ổn định kém Nhóm phương pháp IMC cho

hệ thống với độ bền vững rất phụ thuộc vào mô hình và không định trước được độ bền vững của hệ thống như mong muốn

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu:

Xây dựng hệ thống phương pháp chỉnh định bộ điều khiển quá trình nhiệt với tính chất bất định và phi tuyến cao, đặc biệt trong điều kiện phụ tải biến đổi, nhằm duy trì tính ổn định, bền vững của hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu:

Hệ điều khiển quá trình nhiệt một đầu vào, một đầu ra (SISO-single input/single output) cấu trúc tầng trong NMNĐ, trong đó các quá trình nhiệt sẽ được xét theo bản chất bất định và phi tuyến, tính chất này thể hiện rõ khi hệ thống làm việc trong điều kiện phụ tải biến đổi và biến đổi mạnh

Phạm vi nghiên cứu:

Nâng cao độ bền vững cho hệ thống điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ hệ SISO cấu trúc tầng sử dụng bộ điều khiển PID

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:

• Nghiên cứu khảo sát thực tế điều khiển đối tượng nhiệt NMNĐ

• Sử dụng mô hình bất định và cơ sở lý thuyết bộ điều khiển bền vững [88]

để giải quyết bài toán chỉnh định bộ điều khiển cho đối tượng nhiệt bất định trong điều kiện phụ tải biến đổi

• Tính toán, kiểm nghiệm phương pháp trên phần mềm và số liệu thực tế thu thập tại NMNĐ

• Xây dựng mô hình thí nghiệm để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học:

Phương pháp chỉnh định được đề xuất cho phép lựa chọn trước chỉ số bền vững của hệ thống điều khiển, điều này là yếu tố quyết định tính đảm bảo độ ổn định cho hệ thống khi có sự biến đổi của phụ tải làm cho tính chất bất định và phi tuyến của quá trình nhiệt NMNĐ thể hiện rõ rệt

Kết quả của đề tài là nền tảng lý thuyết để xây dựng hệ điều khiển thích nghi

Ý nghĩa thực tiễn:

• Phương pháp mô hình hóa và chỉnh định hệ thống được đề xuất có tiềm năng sử dụng tốt cho NMNĐ Thực tế trong luận án đã được sử dụng hiệu quả cho số liệu từ NMNĐ và mô hình thí nghiệm

• Đơn giản hóa và giảm chi phí cho công tác chỉnh định hệ thống điều khiển trong Nhà máy nhiệt điện

5 Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu

Luận án giải quyết bài toán chỉnh bộ điều khiển PID cho quá trình nhiệt điện khi phụ tải biến đổi làm tính chất bất định, phi tuyến của đối tượng thể hiện rõ rệt, bằng cách sử dụng mô hình bất định và lý thuyết bộ điều khiển bền vững [88] Luận

án lần đầu tiên xây dựng hoàn chỉnh hệ thống phương pháp nhận dạng và chỉnh định bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển quá trình nhiệt hệ SISO cấu trúc hai tầng từ nền tảng lý thuyết này Kết quả đạt được của luận án bao gồm:

1) Xây dựng phương pháp số sử dụng thuật toán tối ưu hóa vượt khe để nhận dạng đối tượng điều khiển quá trình nhiệt điện trong vòng hở và vòng kín 2) Xây dựng phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID cho quá trình nhiệt điện cấu trúc SISO hai tầng trong chế độ khởi động và chế độ đang làm việc, cho phép lựa chọn trước “chỉ số bền vững” của hệ thống với khoảng lựa chọn tối ưu là [0,132÷2,318]

Phương pháp xây dựng phù hợp với cấu hình hệ thống điều khiển đang được

sử dụng thực tế trong NMNĐ, có khả năng ứng dụng cao Bộ điều khiển sẽ có khả năng thích nghi trong điều kiện biến thiên rộng của phụ tải và đặc tính đối tượng, làm việc ổn định lâu dài theo vòng đời vận hành của NMNĐ

6 Cấu trúc của luận án

Luận án được cấu trúc thành năm chương, bao gồm:

Chương 1: Tổng quan về chỉnh định hệ thống điều khiển quá trình nhiệt điện Chương 2: Phương pháp nhận dạng quá trình nhiệt điện

Chương 3: Phương pháp chỉnh định bộ điều khiển quá trình nhiệt điện

Chương 4: Thực nghiệm kiểm chứng

Sau đó là phần kết luận nêu các đóng ghóp mới của luận án và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo Tiếp theo là phần tài liệu tham khảo, các công trình khoa học

đã công bố liên quan đến luận án và phụ lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHỈNH ĐỊNH HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐIỆN

1.1 Tổng quan về công nghệ nhiệt điện

Nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) là một dây chuyền công nghệ biến đổi nhiệt năng khi đốt các nhiên liệu hữu cơ (than, dầu, khí…) thành điện năng [11] Hiện trên thế giới NMNĐ đốt than chiếm khoảng 40%, NMNĐ khí khoảng 20% tổng sản lượng Tại Việt nam, riêng NMNĐ đốt than là khoảng 30%, đến 2030 sẽ là trên 50% tổng sản lượng điện [22]

Nguyên lý làm việc cơ bản của NMNĐ như sau: Năng lượng được tàng trữ dưới dạng liên kết hóa học của nhiên liệu hóa thạch được đưa vào lò hơi để biến thành cơ năng của hơi, năng lượng hơi được sinh công quay tuabin Rôto máy phát được nối trục với tuabin, stato được cấp kích từ và máy phát sẽ phát ra năng lượng điện

1.1.1 Nguyên lý làm việc cơ bản của NMNĐ đốt than

Từ nguyên lý cơ bản nêu trên thì NMNĐ đốt than phải có các thiết bị chính là

Lò hơi/Tuabin/Máy phát (Boiler/Turbine/Generator) thường được gọi là khối tổ máy (unit) Ngoài ra còn có hệ thống phụ trợ khác

Hình 1.1 Cấu hình điển hình một tổ máy NMNĐ [92]

Sơ đồ nhiệt nguyên lý (mặt cắt đứng) một tổ máy nhiệt điện được thể hiện tại hình 1.1 [92], và hình 1.2 thể hiện sơ đồ nhiệt nguyên lý của tổ máy gồm một lò hơi, một tuabin/máy phát, loại lò hơi đốt than có bao hơi (drum) Nguyên lý làm việc cơ bản của hệ thống như sau:

Nhiên liệu than (coal fuel) từ phễu than (coal bunker) được cấp tới các vòi đốt (burner) trên vách lò hơi (waterwall) Khi các vòi đốt làm việc, nước trong các ống

ở vách lò hơi sẽ hóa hơi thành hơi bão hòa (statured steam), hơi này sẽ được dẫn vào bao hơi của lò hơi Vòng tuần hoàn nước hơi này có thể là tuần hoàn tự nhiên hoặc cưỡng bức (dùng bơm) Từ bao hơi, hơi bão hòa sẽ đi qua các dàn ống quá nhiệt (superheater) Hơi đi trong ống sẽ được gia nhiệt bằng khói thải (flue gas) được hút từ buồng đốt (furnance) Hơi quá nhiệt sẽ được đưa sang tuabin cao áp (high pressure cylinder-HPC), hơi quá nhiệt khi tới tuabin cao áp còn được gọi là hơi mới (live steam) Trước tuabin cao áp sẽ có các van điều khiển cấp hơi (throttle valve-TV) để điều chỉnh dòng hơi cấp vào tuabin cao áp, ngoài ra còn có van chặn (stop valve) Hơi thoát từ tuabin cao áp lại được đưa về hệ thống tái nhiệt (reheater) của lò hơi để gia nhiệt, sau đó dẫn về tuabin trung áp (intermediate pressure cylinder-IPC) Hơi sau khi ra khỏi tuabin trung áp được dẫn về tuabin hạ áp (low pressure cylinder-LPC) qua ống nối trực tiếp (crossover) giữa hai thân tuabin này Hơi thoát từ tuabin hạ áp sẽ được ngưng tại bình ngưng (condenser) bằng nước làm mát (cooling water) hoặc tháp làm mát (cooling tower)

Không khí (combustion air) được cấp vào lò hơi từ quạt gió (force draft FDF) được thổi các bộ sấy không khí (air heater) để gia nhiệt rồi đưa vào buồng đốt

fan-để đốt cháy nhiên liệu Khói từ buồng đốt được quạt khói (induced draft fan-IDF) hút đi qua các bộ quá nhiệt, tái nhiệt, bộ hâm, bộ sấy không khí, bộ khử bụi

Hình 1.2 Sơ đồ nhiệt nguyên lý một tổ máy NMNĐ

(electrostatic precipitator-ESP), hệ thống khử lưu huỳnh (flue gas desulphuazation), qua ống khói (stack) thoát ra ngoài

Nước ngưng (condensated water) từ bình ngưng được bơm ngưng (condensate pump) bơm tới các bộ gia nhiệt hạ áp (low pressure heater-LPH) Nước qua các bộ gia nhiệt này được gia nhiệt bằng hơi trích từ các cửa trích (extractor)từ tuabin (hạ áp và trung áp), sau đó tới bình khử khí (deaerator) để tách khí hòa tan ra khỏi nước (tránh ăn mòn thiết bị và đường ống dẫn) Nước qua bình khử khí cũng

sẽ được gia nhiệt bằng hơi trích từ tuabin trung áp, khi ra khỏi bình khử khí sẽ được bơm cấp (boiler feed pump-BFP) bơm tới các bình gia nhiệt cao áp (high pressure heater-HPH) để tiếp tục gia nhiệt Tại đây nước cấp tiếp tục được gia nhiệt bằng hơi trích từ tuabin cao áp hoặc đường hơi tái nhiệt (reheat steam) Sau đó nước cấp được đưa tới bộ hâm nước (economizer) để gia nhiệt bằng khói thải trước khi vào bao hơi Van điều khiển nước cấp (control valve-CV) sẽ được bố trí giữa bơm cấp

và bình gia nhiệt cao áp để điều khiển nước cấp vào lò hơi

1.1.2 Lò hơi NMNĐ theo thông số hơi chính

Dựa theo thông số quan trọng là áp suất hơi, lò hơi được phân chia thành các

loại: Thông số hơi dưới tới hạn (Subcritical), siêu tới hạn (Supercritical) và trên siêu tới hạn (Ultra-supercritical) Có nhiều phân chia khác nhau về ranh giới giữa

siêu tới hạn và trên siêu tới hạn, dưới đây là các thông số điển hình cho các loại nhà máy dưới tới hạn, siêu tới hạn và trên siêu tới hạn trên thế giới:

- Dưới tới hạn (Subcritical): áp suất hơi mới 16,7MPa, nhiệt độ quá nhiệt/tái nhiệt 538°C/538°C

- Siêu tới hạn (Supercritical): áp suất hơi mới 24,2MPa, nhiệt độ quá nhiệt/ tái nhiệt 566°C/566°C

- Trên siêu tới hạn (Ultra-supercritical): áp suất hơi mới 31MPa, nhiệt độ quá nhiệt/ tái nhiệt 600°C/600°C

Hiện nay trên thế giới, các nhà máy nhiệt điện thông số hơi dưới tới hạn vẫn là chủ đạo kể cả ở những nước phát triển, nhưng xu hướng sử dụng thông số siêu tới hạn ngày càng phổ biến, nhất là ở những nơi giá nhiên liệu đắt và phải chịu nhiều sức ép cắt giảm khí nhà kính Thông số hơi trên siêu tới hạn cũng rất được quan tâm, nhưng còn gặp nhiều trở ngại về việc phát triển các vật liệu cao cấp cho chế tạo lò hơi và tuabin

1.1.3 Công nghệ đốt than của lò hơi NMNĐ

1.1.3.1 Công nghệ đốt than phun (Pulverized Coal - PC)

Công nghệ đốt than phun là công nghệ truyền thống được áp dụng rộng rãi nhất trong các NMNĐ đốt than và chiếm chủ yếu trong các NMNĐ ở Việt Nam

Trong lò hơi công nghệ này, than bột mịn được cấp vào buồng đốt bằng không khí nóng qua các vòi đốt gắn trên vách Trong buồng đốt than bột được gia nhiệt nhanh chóng làm chất bốc thoát ra biến các hạt than thành các hạt xốp gồm tro xỉ và cốc (các-bon) Chất bốc dễ cháy nên cháy trước làm tăng tốc độ gia nhiệt hạt cốc đến nhiệt độ bắt cháy Để cháy hiệu quả đòi hỏi phải đảm bảo tỷ lệ hợp lý các loại gió, than bột và không khí được hòa trộn kỹ, nhiệt độ buồng đốt cao, và than bột được lưu lại trong buồng đốt với thời gian đủ lớn để hoàn tất phản ứng Nhiệt độ đốt điển hình của lò đốt than phun là 1300°C đến 1700°C

Lò hơi than phun được sản xuất với rất nhiều gam công suất, từ vài chục đến

cỡ 1300MW Các lò hơi đang vận hành hiện nay phổ biến là trong dải công suất từ

300600MW thông số cận tới hạn (16,7MPa, 538oC/538oC), tuy nhiên xu hướng hiện nay của thế giới là sử dụng các tổ máy lớn với thông số siêu tới hạn (24,2MPa,

566oC/566oC) và trên siêu tới hạn (31MPa, 600oC/600oC)

Về mặt cấu tạo, lò hơi than phun được sản xuất với nhiều kiểu khác nhau: kiểu bao hơi có các loại tuần hoàn tự nhiên, tuần hoàn tự nhiên có hỗ trợ, tuần hoàn cưỡng bức, kiểu trực lưu (các lò thông số hơi siêu tới hạn và trên siêu tới hạn)

1.1.3.2 Công nghệ đốt tầng sôi tuần hoàn (CFB)

Công nghệ tầng sôi tuần hoàn (Circulating Fluidized Bed – CFB) hiện nay là

dạng công nghệ tầng sôi phổ biến nhất cả trong công nghiệp cũng như NMNĐ Với lò CFB, than và đá vôi đập nhỏ được đưa đồng thời vào phần dưới buồng đốt có nhiệt độ từ 8500C đến 9500C Do dòng khí áp suất cao thổi từ dưới lên qua các vòi phun gió tạo tầng sôi bố trí trên ghi lò cũng chính là sàn buồng đốt, vật liệu lớp sôi (than, tro xỉ, đá vôi) bị khuấy đảo dữ dội Phần lớn vật liệu lớp sôi được khói

lò cuốn lên trên và ra khỏi buồng đốt, chỉ một phần nhỏ ở lại trong lớp sôi Phần bị

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý lò hơi đốt than phun

1 Buồng đốt

2 Giàn quá nhiệt bức xạ

3 Giàn quá nhiệt đối lưu

4 Bộ quá nhiệt trung gian 5.Đường khói

cuốn theo khói lò được gom lại bởi các xyclon hiệu suất cao rồi đưa trở lại buồng đốt qua các đường hồi lưu Sự tuần hoàn của các hạt than trong mạch sơ cấp (gồm buồng đốt, xyclon và đường hồi lưu) tiếp diễn cho đến khi kích thước hạt nhỏ đi (chủ yếu do cháy và một phần do cọ sát) đến mức thoát khỏi xyclon đi vào phần đường khói đuôi lò Tro xỉ lẫn thạch cao tạo ra do quá trình cháy một phần được thải ra ngoài qua hệ thống thải tro xỉ đáy lò, còn lại phần lớn thoát khỏi xyclon bay theo khói lò và được thu gom tại thiết bị khử bụi tĩnh điện Quá trình “tuần hoàn” như vậy kéo dài thời gian lưu lại của các hạt than trong vùng có nhiệt độ cao, giúp tăng mức độ cháy kiệt

Các lò CFB chấp nhận chất lượng nhiên liệu biến thiên trong dải rất rộng có thể đốt các loại nhiên liệu có độ ẩm cao, như các loại bùn và sinh khối khác nhau,

và các loại than chất lượng xấu có hàm lượng tro cao như antraxit, than bitum, than

á bitum, than non, than bùn

Các lò CFB lớn nhất đang hoạt động có công suất trên dưới 300MW và thông

số hơi dưới tới hạn Phần lớn các lò này đều đốt than xấu hoặc nhiên liệu pha trộn

từ hai hay nhiều loại khác nhau Gần đây cũng đã xuất hiện lò CFB siêu tới hạn với công suất lớn được đưa vào vận hành (ví dụ tại Lagisza, Ba Lan, thông số 28,3 MPa, 563°C/582°C, công suất 460MW bởi Foster Wheeler) Hình 1.4 thể mô tả cơ

1.2 Đặc trưng của quá trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện

1.2.1 Tính phức tạp và tương hỗ của thông số quá trình

Xét mô hình lò hơi với các thông số vào/ra như trên hình 1.5

Các thông số quá trình của lò hơi có sự tác động tương hỗ, đan xem rất phức tạp Mỗi thông số quá trình có ảnh hưởng trực tiếp đến một thông số đầu ra nào đó của lò hơi, đồng thời nó lại ảnh hưởng gián tiếp đến một hay một số thông số khác Chẳng hạn trong một thời điểm vận hành nào đó của tổ máy, khi có yêu cầu tăng tải, lưu lượng nhiên liệu B cấp vào lò sẽ tăng, việc tăng này ảnh hưởng trực tiếp đến áp suất hơi quá nhiệt Pqn của lò hơi Tác động này được gọi là tác động trực tiếp từ yếu tố thông số đầu vào tới thông số đầu ra của lò hơi Tuy nhiên, việc tăng

B cũng ảnh hưởng tới các thông số đầu ra khác của lò hơi như nhiệt độ hơi quá nhiệt (tqn) do nhiệt lượng trong buồng đốt tăng, hàm lượng Oxy trong khói thải (%O2) do cần nhiều hơn để đốt cháy nhiên liệu Ngoài ra việc tăng lưu lượng nhiên liệu cũng sẽ làm tăng lưu lượng hơi quá nhiệt sinh ra trong lò hơi

Việc tăng lưu lượng nhiên liệu cũng sẽ làm tăng lưu lượng không khí cấp vào buồng đốt, việc này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến %O2 trong khói thải, ngoài ra còn ảnh hưởng đến áp suất buồng đốt Pbl cũng như hàm lượng %NOx được sinh ra

Vkhói tái TH: lưu lượng khói tái tuần hoàn

Vkhói: Lưu lượng khói thải

Vkhông khí: Lưu lượng không khí cấp lò

B: lưu lượng nhiên liệu cấp lò

Dbh: Lưu lượng hơi từ bao hơi

Pbl: áp suất buồng đốt

Dgo: Lưu lượng nước phun giảm ôn

Wnc: Lưu lượng nước cấp lò

Dxả: lưu lượng nước xả từ bao hơi

%NOx: Phần trăm NOx trong khói thải

%O2: Phần trăm Oxy trong khói thải

Pqn: Áp suất hơi quá nhiệt

Dqn: Lưu lượng hơi quá nhiệt từ lò hơi

tqn: Nhiệt độ hơi quá nhiệt

Hbh: Mức nước bao hơi

NaClx: Hàm lượng muối NaCl trong nước

Tác động trực tiếp Tác động gián tiếp

Hình 1.5 Ảnh hưởng tương hỗ thông số quá trình lò hơi

Để điều chỉnh giảm nhiệt độ hơi quá nhiệt, sẽ thực hiện tăng lưu lượng nước phun giảm ôn (đối với phương pháp điều chỉnh nhiệt độ bằng phun nước giảm ôn) Việc này đồng thời lại làm giảm lưu lượng hơi quá nhiệt được sinh ra

Với lưu lượng nước cấp Wnc, khi thay đổi sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến mức bao hơi Hbh, ngoài ra còn ảnh hưởng gián tiếp đến lưu lượng hơi quá nhiệt Dqn sinh ra, hay hàm lượng muối NaClx

Như vậy, xét về tổng thể tất cả các thông số quá trình nhiệt trong lò hơi NMNĐ đều có tác động tương hỗ, ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến nhau

1.2.2 Đặc trưng bất định và phi tuyến của đối tượng nhiệt trong NMNĐ

Phần lớn các hệ thống có trong tự nhiên đều mang tính phi tuyến [13], đây cũng là đặc trưng chung của các quá trình nhiệt trong NMNĐ [48, 72, 73, 76, 79] Tính chất này cùng với đặc điểm tác động tương hỗ phức tạp của các thông số dẫn đến đặc trưng thứ hai của quá trình nhiệt trong NMNĐ là tính bất định

Đặc trưng bất định và phi tuyến của quá trình sẽ được thể hiện rõ nhất trong điều kiện làm việc khi phụ tải biến đổi, càng mạnh thì càng rõ rệt mạnh hay còn gọi

là làm việc ở dải công suất rộng (plant wide-range operation) như các chế độ dưới đây

1.2.2.1 Phụ tải biến đổi do yêu cầu vận hành

Công suất tổ máy sẽ biến đổi trong các trường hợp:

❖ Chế độ khởi động, tăng công suất đến giá trị định mức

❖ Tăng/giảm tải theo yêu cầu vận hành của lưới (đơn vị điều độ)

Ở các mức công suất khác nhau, với cùng một tín hiệu điều khiển sẽ cho ra các đáp ứng khác nhau của thông số quá trình Ví dụ, trong chế độ điều khiển phối hợp (CCS), các thông số cần điều khiển là áp suất hơi (quá nhiệt, hơi mới) và công suất

sẽ được điều khiển bằng nhiên liệu cấp lò và góc mở van điều khiển hơi Với cùng một lượng nhiên liệu được cung cấp thì mức biến động áp suất và tải tổ máy sẽ khác nhau

Xét các đáp ứng của tổ máy nhiệt điện 300MW tại Sơn Đông, Trung Quốc như trên hình 1.6 [79], với mức tăng nhiên liệu 1% thì mức tăng áp suất hơi quá nhiệt và công suất tổ máy ở bốn mức tải 60%, 73%, 87% và 100% là khác nhau Trong đó mức biến động của thông số áp suất là nhiều hơn so với thông số công suất

Tương tự khi tăng góc mở của van điều khiển hơi tuabin 1% thì áp suất hơi mới giảm, độ giảm càng lớn khi công suất ở mức càng thấp, còn công suất tổ máy đáp ứng tức thì tăng lên nhưng sau đó giảm về mức ban đầu, độ dao động này ở các mức tải cũng là khác nhau nhưng mức độ không lớn

1.2.2.2 Phụ tải biến đổi do sự cố

Sự cố xảy ra khi tổ máy đang làm việc, bao gồm sự cố thiết bị chính của tổ máy và sự cố lưới điện Trường hợp này sự biến đổi là mạnh và đột ngột

❖ Sự cố thiết bị chính: Khi xảy ra sự cố dừng thiết bị chính, tổ máy phải tự động giảm tải về mức vận hành an toàn (gọi là chạy “run-back” tổ máy) Mức độ giảm tải theo từng cấu hình tổ máy, triết lý thiết kế nhưng phổ biến ở các mức 70%, 50% hoặc 30% tải định mức Các trường hợp giảm tải sự cố phổ biến [7, 8, 9, 10]:

(hay “rã lưới giữ tự dùng” (house load)) [7, 8, 9, 10] Khi lưới được khôi

phục, tổ máy sẽ nhanh chóng hòa trở lại và nâng tải

Hình 1.6 Đáp ứng của áp suất hơi và công suất với lưu lượng nhiên liệu

và góc mở van điều khiển hơi tuabin [79]

Việc duy trì tổ máy ở tải thấp khi xảy ra sự cố có ý nghĩa hết sức quan trọng,

nó giúp tổ máy nhanh chóng phục hồi khi sự cố được khắc phục, nâng cao rất nhiều tính sẵn sàng của nhà máy và lưới điện, giảm chi phí vận hành cho nhà máy khi không phải khởi động lại tổ máy Tuy nhiên, ở các chế độ này việc sa thải tải là rất nhanh và lớn (có thể lên tới 90%), tính bất định, phi tuyến của quá trình thể hiện rõ rệt nhất nên để đáp ứng được yêu cầu thì đòi hỏi hệ thống phải có khả năng đáp ứng

và sẵn sàng rất cao

Ngoài ra, tính chất bất định của quá trình nhiệt NMNĐ còn mang tính tất yếu,

do các nguyên nhân ngẫu nhiên không thể loại trừ:

- Trong vận hành: Biến động chất lượng nhiên liệu vào buồng đốt, thay đổi

khả năng trao đổi nhiệt của dàn ống hay bề mặt bốc hơi trong buồng đốt

- Trong điều khiển: Sự hạn chế của phương pháp nhận dạng và mô hình hóa

đối tượng [20]

1.3 Hệ thống điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ

Hệ thống điều khiển quá trình nhiệt của NMNĐ được thiết kế để đảm bảo nhà máy làm việc đúng yêu cầu kỹ thuật, an toàn, hiệu quả và đáp ứng yêu cầu môi trường Với đặc thù là hệ nhiều thông số vào/ra, phức tạp, tác động trực tiếp, gián tiếp lẫn nhau, trải qua thời gian dài phát triển, hệ thống điều khiển quá trình nhiệt trong NMNĐ được phân rã thành những hệ con một đầu vào/ra (SISO) sử dụng các

bộ điều khiển PID (bao gồm cả P, PI, PD) [36, 40, 41, 42, 69, 73, 76, 80, 82] Cấu trúc này đã được kiểm nghiệm thực tế, thừa nhận và sử dụng rộng rãi trong các NMNĐ [30, 43, 44, 54, 62, 67, 68, 74, 84]

Các hệ SISO có thể là một vòng hoặc tầng hai vòng (cascade), trong đó hệ hai vòng chiếm phần lớn và được sử dụng để điều khiển những thông số quan trọng nhất của tổ máy Hình 1.7 thể hiện sơ đồ cấu trúc chính hệ thống điều khiển chính của một tổ máy nhiệt điện [76] Hệ thống gồm nhiều mạch vòng điều chỉnh cho từng tham số quá trình, đối với mỗi vòng điều chỉnh tín hiệu tác động trực tiếp sẽ là tín hiệu điều khiển còn tín hiệu tác động khác sẽ được xác định là nhiễu Ví dụ, đối với mức nước bao hơi thì lưu lượng nước cấp sẽ là thông số tác động trực tiếp trong khi đó lưu lượng hơi thoát khỏi bao hơi sẽ là tín hiệu nhiễu

Cấu trúc điều khiển đặc trưng của tổ máy NMNĐ được thể hiện trên hình 1.8 Bao gồm:

- Hệ thống điều khiển phối hợp (Coodinated control system-CCS): Thiết lập các chế độ điều khiển cho toàn tổ máy, phối hợp làm việc hai hệ thống điều khiển

lò và điều khiển turbine sao cho hoạt động của chúng là tối ưu

- Hệ thống điều khiển chính lò hơi (Boiler master): Tính toán các yêu cầu cho quá trình cháy của lò hơi: nhiên liệu, gió, áp lực buồng lửa để gửi xuống các

bộ điều khiển cấp dưới đảm bảo áp suất hơi chính đạt tới giá trị mong muốn Quản lý các hệ thống điều khiển nhiên liệu, gió, áp lực buồng lửa

- Hệ thống điều khiển chính turbine (Turbine master): Tính toán các yêu cầu về tốc độ turbine, độ mở van điều chỉnh… để điều khiển hệ thống thủy lực (electrohydraulic gorvernor-EHG) van điều khiển hơi tuabin (TV), điện áp cho

hệ thống điều khiển điện áp máy phát (automatic voltage regulation-AVR)

TT: Nhiệt độ hơi quá

nhiệt/tái nhiệt

LT: Mức bao hơi MW: Công suất FT: Lưu lượng hơi/nước/khí PT: Áp suất hơi mới AT: Nồng độ oxy khói thải

Các mạch vòng điều khiển SISO quá trình nhiệt điển hình trong NMNĐ gồm:

- Quá trình cháy (nhiên liệu-không khí):

+ Điều khiển cấp nhiên liệu

Hình 1.7 Cấu trúc điều khiển cơ bản trong NMNĐ [76]

+ Điều khiển cấp không khí buồng đốt

- Chu trình nước-hơi:

+ Điều khiển mức nước bao hơi

+ Điều khiển Nhiệt độ hơi quá nhiệt/tái nhiệt

1.3.1 Các hệ thống điều khiển cơ bản

1.3.1.1 Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin

Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin nhằm điều khiển cân bằng các tham số của

tổ máy khi có yêu cầu đáp ứng tăng/giảm tải của hệ thống Chủ yếu để đảm bảo sự cân bằng giữa năng lượng dòng hơi sản xuất từ lò hơi với dòng năng lượng hơi yêu cầu từ tuabin/máy phát để đáp ứng yêu cầu tải chính xác ở mọi thời điểm vận hành của tổ máy Để đảm bảo yêu cầu này, hai thông số quan trọng nhất sẽ là công suất phát của tổ máy và áp suất hơi mới (hơi cấp vào tuabin, trước van điều khiển hơi) Nhiệm vụ chính của hệ thống điều khiển phối hợp (CCS) sẽ là điều khiển công suất phát của tổ máy theo yêu cầu của lưới đồng thời đảm bảo thông số áp suất hơi mới trong giá trị cho phép Các thông số được điều khiển thông qua hai mạch vòng điều chỉnh là: điều chỉnh công suất phát của tổ máy và điều chỉnh áp suất hơi mới

Về mặt cấu trúc, hệ thống CCS được thiết kế theo hai chế độ là:

- Điều khiển phối hợp lò theo máy (Boiler-following (BF) CCS)

- Điều khiển phối hợp máy theo lò (Turbine-following (TF) CCS)

Hình 1.9 thể hiện sơ đồ nguyên lý của chế độ điều khiển phối hợp lò theo máy (BF-CCS) Trong chế độ này, khi có yêu cầu điều chỉnh công suất phát của tổ máy, van điều khiển sẽ điều chỉnh dòng hơi mới để áp ứng, theo đó lò hơi sẽ điều chỉnh tải để đáp ứng yêu cầu về dòng năng lượng này

Hình 1.8 Cấu trúc cơ bản hệ thống điều khiển NMNĐ

Áp lực buồng lửa

Điều khiển chính tuabin

Điều khiển chính lò hơi

Hệ thống thủy lực

nhiên liệu

Không khí buồng đốt Quạt gió Máy cấp

Hệ thống điều khiển phối hợp

Chế độ điều khiển phối hợp lò theo máy giúp đáp ứng nhanh yêu cầu điều chỉnh tải, tuy nhiên thường gây quá điều chỉnh (dư thừa) công suất của lò và gây dao động nhiều cho áp suất hơi mới

Hình 1.10 thể hiện sơ đồ nguyên lý của chế độ điều khiển phối hợp máy theo

lò (Turbine-following (TF) CCS) Khi có yêu cầu thay đổi công suất phát của tổ máy, lò hơi sẽ điều chỉnh dòng năng lượng hơi quá nhiệt đầu ra để đáp ứng còn tuabin sẽ điều chỉnh van điều khiển cấp hơi để duy trì áp suất theo giá trị đặt

Chế độ điều khiển này đảm bảo lò hơi luôn cung cấp chính xác dòng năng lượng theo yêu cầu tải, tuy nhiên do sự vừa đủ không có mức độ dự phòng, cùng với quán tính nhiệt lớn nên đáp ứng của lò hơi (và tổ máy) theo yêu cầu tải sẽ chậm

Hình 1.9 Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin lò theo máy [82]

Hình 1.10 Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin máy theo lò [82]

1.3.1.2 Điều khiển công suất lò hơi

Trong cả hai chế độ thiết kế của điều khiển phối hợp tổ máy CCS, điều khiển tải lò hơi sẽ có cấu hình như trên hình 1.11, trong đó ở chế độ BF-CCS áp suất hơi quá nhiệt theo yêu cầu của hệ thống điều khiển tuabin sẽ là tín hiệu phản hồi, còn ở chế độ TF-CCS tín hiệu này sẽ là công suất phát của tổ máy Khi có sự chênh lệch giá trị giữa thông số quá trình và giá trị đặt lưu lượng nhiên liệu than cấp vào buồng đốt sẽ được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh tốc độ máy cấp than Vì vậy, vòng điều khiển này còn được gọi là vòng điều khiển cấp nhiên liệu (fuel control)

1.3.1.3 Điều khiển cấp không khí cho buồng đốt

Điều khiển cung cấp không khí cho buồng đốt nhằm đảm bảo quá trình cháy hiệu quả, lưu lượng không khí được cung cấp phải cân bằng với lưu lượng nhiên liệu được cấp vào lò Nếu không khí được cấp không đủ sẽ không đảm bảo nhiên liệu được cháy kiệt, ngược lại nếu không khí được cấp dư thừa sẽ gây ra sự hấp thụ nhiệt và tổn thất nhiệt theo khói thoát ra ngoài

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển cấp không khí buồng đốt lò hơi được thể hiện trên hình 1.12

Về nguyên tắc thiết kế hệ thống, do lưu lượng nhiên liệu đã được tính toán từ

bộ điều khiển nhiên liệu nên có thể điều chỉnh lưu lượng không khí cấp vào buồng đốt trực tiếp từ tỷ lệ nhiên liệu/không khí được xác định Tuy nhiên, do chất lượng nhiên liệu có sự biến đổi liên tục trong quá trình lò hơi hoạt động nên để kiểm soát

cấp than

B +

Bộ phận sinh hơi

Bộ điều khiển 2

Bộ điều khiển 1

Hình 1.12 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cấp không khí cho buồng đốt

-Giá trị đặt

Hàm lượng

%O2 khói Quạt

gió

Vkk +

Buồng đốt

Bộ điều khiển 2

Bộ điều khiển 1

Lưu lượng không khí

từ phụ tải nhiệt

tối ưu quá trình cháy thì thông tin về hàm lượng Oxy trong khói thoát (không khí thừa) sẽ được đo để kiểm soát trực tiếp hiệu quả của quá trình cháy

Hệ thống là hệ tầng gồm hai vòng điều chỉnh, vòng trong nhận tín hiệu lưu lượng nhiên liệu và không khí để đảm bảo tỷ lệ nhiên liệu/không khí cơ bản trong khi vòng điều khiển bên ngoài sẽ nhận thông tin đo lường từ hàm lượng %O2 trong khói thải và hiệu chỉnh theo hàm lượng tối ưu đã được xác định cho mỗi mức tải

1.3.1.4 Điều khiển mức nước bao hơi

Đối với lò hơi thông số dưới tới hạn thường sẽ được thiết kế có bao hơi Bao hơi làm nhiệm vụ phân ly giữa pha nước và pha hơi Việc điều khiển cân bằng giữa lưu lượng nước cấp và hơi được sinh ra sẽ được thực hiện bằng cách duy trì mức nước bao hơi trong giới hạn cho phép Nước cấp được bơm từ các bơm cấp qua các van điều chỉnh, qua bộ gia nhiệt cao áp, tới bộ hâm nước sau đó vào bao hơi

Hệ thống điều khiển nước cấp thường sẽ được thực hiện theo sơ đồ một tín hiệu (trong chế độ khởi động) và sơ đồ ba tín hiệu (trong chế độ vận hành thông thường) Trong chế độ một phần tử, tín hiệu được sử dụng sẽ là mức nước bao hơi Trong chế độ ba phần tử các tín hiệu được sử dụng là mức nước bao hơi, lưu lượng nước cấp và lưu lượng hơi quá nhiệt

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mức nước bao hơi trong chế độ làm việc thông thường (ba phần tử) được thể hiện như trên hình 1.13

Tín hiệu lưu lượng hơi chính Dqn được sử dụng là tín hiệu feedforward nhằm đảm bảo lưu lượng nước cấp đáp ứng tức thì với sự thay đổi của lưu lượng hơi từ biến động tải Lưu lượng nước cấp được sử dụng để thiết lập bộ điều khiển vòng trong còn bộ điều khiển vòng ngoài đảm bảo hệ thống đáp ứng nhanh chóng với nhiễu hệ thống Tín hiệu mức phản hồi đảm bảo hệ thống điều chỉnh chính xác hơn

1.3.1.5 Điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt

Nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi NMNĐ là một trong những thông số quan trọng nhất của lò hơi Nếu nhiệt độ hơi quá nhiệt quá cao sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ hoặc gây phá hủy của các dàn ống quá nhiệt của lò hơi cũng như tầng cánh của tuabin Ngược lại, nhiệt độ hơi quá nhiệt thấp sẽ làm giảm hiệu suất của nhà

Hình 1.13 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mức nước bao hơi [4]

-Mức nước đặt

Mức nước bao hơi Van đk

nước cấp

Wnc +

Bao hơi

BĐK lưu lượng

BĐK mức nước

Lưu lượng hơi chính

máy, làm tăng độ ẩm trong hơi ở phần áp suất thấp của tuabin làm tổn hại tầng cánh Ngoài ra, sự dao động mạnh của nhiệt độ hơi quá nhiệt cũng sẽ làm tăng ứng suất nhiệt cho vật liệu ống và gây nên sự rung động lớn cho tuabin Vì vậy, việc điều khiển nhiệt độ ổn định trong giải cho phép là yêu cầu hết sức quan trọng Thông thường vận hành yêu cầu điều khiển nhiệt độ sai lệch không quá 50C (hoặc 1%) so với giá trị đặt

Nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi chịu tác động chủ yếu của các yếu tố: Thay đổi lưu lượng hơi đi qua bộ quá nhiệt, thay đổi nhiệt lượng trao đổi từ khói thải với

bộ quá nhiệt và thay nhiệt hàm của hơi tại đầu vào bộ quá nhiệt do thay đổi độ ẩm hoặc nhiệt độ Do lưu lượng hơi phụ thuộc vào phụ tải nên các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt được sử dụng là điều khiển lưu lượng khói đi qua bộ quá nhiệt hoặc điều chỉnh lưu lượng nước phun giảm ôn vào dòng hơi

Phương pháp điều khiển phổ biến là dùng nước phun giảm ôn, nước được trích

từ đầu đẩy bơm cấp sẽ được trích để phun trực tiếp vào dòng hơi Nếu lò hơi có nhiều bộ phun giảm ôn thì mỗi bộ phun này sẽ có bộ điều khiển khác nhau Nguyên

lý điều khiển sẽ là đảm bảo nhiệt độ hơi đầu vào và ra của bộ phun giảm ôn nằm trong giới hạn yêu cầu bằng cách điều chỉnh lưu lượng nước phun giảm ôn vào bộ quá nhiệt Sơ đồ nguyên lý hệ thống được thể hiện trên hình 1.14

Hơi (steam) từ đầu ra của bộ quá nhiệt cấp 1 (superheater I) được dẫn tới bộ quá nhiệt cấp 2 (superheater II), giá trị nhiệt độ hơi đầu ra bộ quá nhiệt cấp hơi sẽ là nhiệt độ hơi quá nhiệt đầu ra của lò hơi Việc phun nước giảm ôn điều chỉnh nhiệt

độ hơi quá nhiệt được thực hiện trước bộ quá nhiệt cấp 2 nhằm đảm bảo nhiệt độ hơi đầu ra của bộ quá nhiệt cấp hai dao động trong dải yêu cầu Lưu lượng nước phun giảm ôn sẽ được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh góc mở của van phun giảm

ôn (attemperator valve) trên đường nước phun

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt [82]

Sơ đồ điều khiển sẽ được thiết kế gồm hai vòng điều chỉnh như trên hình 1.15 Chênh lệch nhiệt độ giữa giá trị đặt và giá trị quá trình thực tế sẽ được qua Bộ điều khiển 1, từ đó tính ra giá trị đặt cho vòng điều khiển trong, giá trị này được so sánh với nhiệt độ đo thực tế từ đầu ra của bộ quá nhiệt cấp 1, sai lệch giữa hai giá trị này sẽ tính toán qua bộ điều khiển số 2 để điều chỉnh van phu giảm ôn để có lượng nước phun tương ứng nhằm có được giá trị nhiệt độ trung gian Ttg thích hợp, đảm bảo nhiệt độ hơi quá nhiệt đầu ra bộ quá nhiệt cấp hai đạt giá trị yêu cầu

1.3.2 Cấu hình đặc trưng hệ điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ

1.3.2.1 Cấu trúc tầng hai vòng

Từ phân tích nêu trên cho thấy cấu trúc đặc trưng của các hệ thống mạch vòng điều chỉnh quá trình nhiệt của NMNĐ là cấu trúc hệ tầng hai vòng (cascade) như trên hình 1.16 Trong đó:

− O s%1( ): Đối tượng điều khiển sơ cấp (vòng ngoài), là quá trình công nghệ

của hệ thống

− O s%2( ): Đối tượng điều khiển thứ cấp (vòng trong) là cơ cấu chấp hành

dạng van, cánh hướng hoặc khớp nối thủy lực của bơm, quạt

− z1: Giá trị đặt điều khiển quá trình công nghệ

− y1, y2: Thông số quá trình (đầu ra các vòng điều chỉnh)

− u1, u2: Tín hiệu điều khiển sơ cấp và thứ cấp

− ɛ1, ɛ2: Sai lệch điều chỉnh sơ cấp (vòng ngoài) và thứ cấp (vòng trong)

− v1, v2: Nhiễu vòng sơ cấp và nhiễu vòng thứ cấp

− R1, R2: Bộ điều chỉnh sơ cấp (vòng ngoài) và thứ cấp (vòng trong)

giảm ôn

Ttg +

Bộ quá nhiệt c2

Bộ điều khiển 2

Bộ điều khiển 1

Hình 1.16 Cấu trúc điển hình điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ

O

ɛ2 u1 ɛ1

Hệ điều khiển tầng (cascade) hai vòng đặc biệt phù hợp với đặc trưng quá trình của NMNĐ Ưu điểm của cấu trúc này là [1, 25, 89, 90, 91]:

− Điều khiển tốt thông số quá trình y1: Vòng điều khiển thứ cấp sẽ tính toán chính xác và nhanh chóng tín hiệu điều khiển y2, từ đó sẽ điều khiển thông số quá trình y1 chính xác hơn

− Tăng cường đáng kể khả năng kháng nhiễu của hệ thống, giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu đến thông số quá trình y1: Khi có nhiễu phát sinh, vòng điều khiển thứ cấp ở gần nguồn nhiễu hơn, với cơ cấu chấp hành là van, cửa chắn (điện hoặc khí nén) có tốc độ đáp ứng nhanh sẽ nhanh chóng triệt tiêu nhiễu trước khi chúng tác động lên thông số quá trình chính y1

− Sự tác động nhanh của vòng điều khiển thứ cấp làm giảm đáng kể ảnh hưởng của yếu tố trễ và quán tính lớn vốn là đặc trưng của quá trình nhiệt điện Điều này sẽ cải thiện đáng kể tốc độ đáp ứng của vòng sơ cấp

− Đặc điểm phi tuyến của cơ cấu chấp hành O s%2( ) (ví dụ được gây ra bởi

ma sát tĩnh) sẽ được khắc phục trực tiếp ở vòng điều khiển thứ cấp Giảm thiểu tối đa sự ảnh hưởng của yếu tố này đến vòng điều khiển sơ cấp

1.3.2.2 Bộ điều khiển PID

Đối với cấu hình điều khiển SISO cho NMNĐ, tất cả các bộ điều khiển đều có dạng PID (Proportional-Integral-Derivative) hoặc dẫn xuất (P, PI, PD) Đây là bộ điều khiển kinh điển, phổ biến nhất trong công nghiệp

Bộ điều khiển PID được mô tả bằng phương trình vào-ra:

Chất lượng điều chỉnh hệ thống phụ thuộc vào các tham số Kp, Ti, Td

1.4 Chỉnh định hệ thống điều khiển trong NMNĐ

− Chuyển bộ điều khiển R2 sang chế độ tự động Mạch vòng thứ cấp lúc này

sẽ là một thành phần trong hệ điều khiển tầng

− Chỉnh định mạch vòng sơ cấp, xác định bộ điều khiển sơ cấp R1

Quá trình chỉnh định các bộ điều khiển gắn liền với việc xác định đặc tính đối tượng thứ cấp O s%2( ) và sơ cấp O s%1( ) Hai phương pháp chỉnh định cơ bản, truyền thống được sử dụng cho hệ tầng công nghiệp cũng như trong NMNĐ là:

− Zigler-Nichols [1, 5, 14, 25, 85]: Gồm Zigler-Nichols 1 sử dụng để chỉnh định bộ điều khiển cho hệ thống hở bằng cách xấp xỉ đối tượng theo mô hình quán tính bậc nhất có trễ và Zigler-Nichols 2 sử dụng chỉnh định mạch vòng kín bằng cách đo đáp ứng đầu ra của hệ thống

− Mô hình nội (IMC-Internal Model Control) [1, 5, 25, 28, 77]: Sử dụng

mô hình mẫu cho quá trình để chỉnh định bộ điều khiển Đối với một số dạng mô hình quá trình thông dụng sẽ đưa được bộ điều khiển đưa về dạng PID Áp dụng cho cả hệ hở và hệ kín

1.4.2 Phương pháp ứng dụng thực tế trong NMNĐ

Các NMNĐ hiện đại đều được trang bị hệ thống điều khiển DCS của các nhà cung cấp rất quen thuộc như: Yokogawa, ABB, Emerson, Honeywell, Westinghouse, Invensys Các tham số bộ điều khiển được chuyên gia của nhà cung cấp chỉnh định trong quá trình vận hành thử nghiệm (commissioning) Việc chỉnh định bộ điều khiển thường sử dụng theo phương pháp cơ bản hoặc kinh nghiệm chuyên gia (sử dụng trong thực tế)

1.4.2.1 Chỉnh định theo phương pháp cơ bản

Phương pháp khá phổ biến được nêu trong các tài liệu hướng dẫn, đào tạo của các nhà cung cấp hệ thống DCS cho NMNĐ [21, 46, 84] cơ bản là phương pháp chỉnh định thực nghiệm Zigler-Nichols, dùng cho vòng hở và vòng kín

Chỉnh định vòng hở (open-loop tuning) [46, 84]

Ban đầu hệ thống chưa có bộ điều khiển (hoặc đã có nhưng được tách ra), kích thích đối tượng bằng xung bậc thang được đáp ứng như hình 1.17 Mức thay đổi của tín hiệu điều khiển MV qua bộ điều khiển PID khi có xung đầu vào PV là:

Sau khi có được các tham số bộ điều khiển, khi đưa hệ thống quá trình nhiệt

vào làm việc, sẽ theo dõi đáp ứng của hệ thống để tinh chỉnh các tham số

Chỉnh định vòng kín (closed-loop tuning) [46, 84]

Việc chỉnh định trực tiếp tham số bộ điều khiển trong mạch vòng kín có thể được thực hiện theo hai cách:

❖ Chọn theo tham số theo Zigler-Nichol 2:

Trong vòng điều khiển kín, thay bộ điều khiển bằng hệ số khuếch đại, xác định biên giới ổn định khi có được dao động điều hòa ở đầu ra Hệ số khuếch đại thu được là Pp (hình 1.18)

Hình 1.17 Phương pháp chỉnh định trong mạch vòng hở [84]

Hình 1.18 Phương pháp Zigler-Nichols 2 [84]

Tham số các bộ điều khiển được chọn:

Bộ điều khiển P: Kp = 0,5Pp

Bộ điều khiển PI: Kp = 0,45Pp; Ti = Pp/1,2

Bộ điều khiển PID: Kp = 0,6Pp; Ti = Pp/2,0; Td = Pp/8

❖ Chọn tham số theo độ suy giảm giao động

Tác động xung đầu vào, đo đáp ứng đầu ra, điều chỉnh xung sao cho độ suy giảm dao động của tín hiệu ra là khoảng 1/4 (hình 1.19)

Khi đó các tham số bộ điều khiển được chọn: Kp = P; Ti = P/1,5; Td = P/6 Giữa hai phương pháp chỉnh định, phương pháp dựa theo suy giảm dao động thường được sử dụng nhiều hơn vì phương pháp Zigler-Nichols 2 có nguy cơ gây nguy hiểm trong một số trường hợp

1.4.2.2 Chỉnh định thực tế

Trong thực tế việc chỉnh định tham số bộ điều khiển được thực hiện theo kinh nghiệm chuyên gia, các bước thực hiện cơ bản cũng là phương pháp thực nghiệm nêu trên nhưng chủ yếu dựa trên kinh nghiệm của người chỉnh định

− Ban đầu, tham số bộ điều khiển được đặt tham chiếu theo tham số của bộ điều khiển tương ứng của một nhà máy có công suất tương tự đã được chỉnh định trước đó

− Đưa hệ thống vào chế độ làm việc tự động, tăng tải hệ thống để hiệu chỉnh tham số bộ điều khiển Tại một điểm làm việc ổn định nào đó (thường khi tăng tải đến gần định mức), kích thích hệ thống bằng xung bậc thang, quan sát đáp ứng của hệ thống

− Ở một dạng đáp ứng đầu ra nào đó phù hợp, tính toán tham số bộ điều khiển theo kinh nghiệm, đảm bảo cân bằng giữa chất lượng điều chỉnh và độ ổn định

hệ thống

Hình 1.19 Phương pháp suy giảm giao động [84]

− Sau khi các bộ điều chỉnh được cài đặt, có thể tiếp tục quan sát quá trình làm việc của hệ thống ở một số mức tải và tiếp tục tinh chỉnh tham số bộ điều khiển để chất lượng làm việc của hệ thống là tốt nhất có thể

Phương pháp theo kinh nghiệm chuyên gia này cũng rất cần nếu nhà máy đã được chỉnh định theo phương pháp cơ bản nêu trên, gọi là bước “tinh chỉnh” Tuy nhiên, thực tế bước này lại thường bị bỏ qua để tiết kiệm chi phí

Phương pháp kinh nghiệm vẫn hết sức phổ biến trong chỉnh định bộ điều

khiển NMNĐ (“The most common method of tuning boiler/turbine control systems today is the empirical method, also called the trial and error method” [76]) Việc

chỉnh định tham số bộ điều khiển được thực hiện chủ yếu tại mức tải định mức của

hệ thống, việc kiểm tra và tinh chỉnh tại nhiều mức tải khác nhau là rất ít vì rất tốn kém thời gian và chi phí

1.4.3 Hạn chế của phương pháp chỉnh định truyền thống

− Độ chính xác bị hạn chế do việc kẻ vẽ tiếp tuyến, đo lường khoảng dao động hay xấp xỉ mô hình bằng cách khá thủ công

− Các mạch vòng điều chỉnh có tính đến yếu tố nhiễu tác động, tuy nhiên chỉ có các thông số cơ bản mới có thể được đo lường và đưa vào hệ thống điều chỉnh (chẳng hạn lưu lượng hơi trong điều khiển mức bao hơi), rất nhiều yếu tố khác

đã bị bỏ qua hoặc không thể lượng hóa được do chúng là ngẫu nhiên, bất định

− Việc chỉnh định bộ điều khiển được thực hiện tại một mức tải vận hành cụ thể nào đó, các tham số bộ điều khiển được tính toán và cài đặt cố định cho hệ thống Khi tổ máy phải làm việc trong dải tải rộng, tăng/giảm công suất lớn làm cho tính chất phi tuyến của quá trình/đối tượng thể hiện rõ, đặc tính của hệ thống khác xa so với điều kiện chỉnh định ban đầu thì tính đáp ứng của hệ thống bị suy giảm rõ rệt, ảnh hưởng nhiều đến khả năng vận hành ổn định và hiệu suất của nhà máy

− Tham số bộ điều khiển không được cập nhật, cài đặt lại trong vòng đời làm việc của NMNĐ ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng làm việc của hệ thống khi mà đặc tính của quá trình/thiết bị nhiệt đã thay đổi rất nhiều theo thời gian

so với thời điểm chỉnh định là lúc xây dựng nhà máy

Các hạn chế này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng vận hành của NMNĐ, đặc biệt trong điều kiện phụ tải biến đổi mạnh khi tính chất bất định và phi tuyến của quá trình nhiệt được bộc lộ rõ nét Dưới đây sẽ khảo sát thực trạng tại một số NMNĐ niềm Bắc Việt Nam để chỉ rõ

1.4.4 Chỉnh định và vận hành ở các NMNĐ Việt Nam

1.4.4.1 Công tác chỉnh định và thử nghiệm

− Công việc được thực hiện trong giai đoạn vận hành thử nghiệm, sau khi đã hoàn thành phần lắp đặt Phương pháp thực hiện theo kinh nghiệm chuyên gia như đã nêu trên

− Tham số bộ điều khiển của tổ máy công suất tương tự được sử dụng để cài đặt cho tổ máy mới mà thậm chí không được tinh chỉnh lại Ví dụ tại nhà máy nhiệt điện Quảng Ninh, nhà thầu lấy nguyên tham số bộ điều khiển các tổ máy nhiệt điện Quảng Ninh 1 cài đặt cho nhiệt điện Quảng Ninh 2, không thực hiện chỉnh định lại Trong khi đó nhiệt điện Quảng Ninh 1 cũng chưa được chỉnh định tốt, khả năng vận hành tự động kém

− Việc chỉnh định được thực hiện ở một mức tải nào đó (gần giá trị định mức)

và rất ít được thử nghiệm ở nhiều mức tải khác nhau để tinh chỉnh Nhà thầu mong muốn rút ngắn thời gian thử nghiệm, hiệu chỉnh để tiết giảm chi phí nhiên liệu, chuyên gia và thúc đẩy nhanh quá trình bàn giao

− Các NMNĐ đều được thiết kế làm việc ở phụ tải đáy, chế độ làm việc thông thường là ở công suất định mức do đó nhà thầu cũng chỉ quan tâm đến việc chỉnh định tham số bộ điều khiển ở mức tải này

− Nhiều thí nghiệm theo yêu cầu trước khi bàn giao nhà máy được thực hiện nhiều lần mới đạt như cắt dầu lò hơi, giảm tải sự cố “run-back” hoặc không thể thực hiện được như chế độ tải tự dùng “house-load” (NMNĐ Mông Dương 1 thực hiện được trong 7 phút ở một lần thí nghiệm, các NMNĐ khác rất khó thực được thí nghiệm này)

− Nhiều thí nghiệm trong danh sách kiểm tra bàn giao (acceptance test) [32, 33,

34, 45, 57, 71] thực hiện được khi thử nghiệm nhưng sau khi được bàn giao vận hành thì tổ máy không thể đáp ứng được nữa

1.4.4.2 Thực tế vận hành

❖ Nhiều hệ thống vận hành ở chế độ bằng tay (manual)

− Ở chế độ khởi động, hệ thống được chuyển sang chế độ vận hành bằng tay (manual), khi tải đạt tới các mức nhất định trong quá trình tăng (thường là gần định mức) thì các hệ thống mới dần được đưa vào chế độ tự động (auto)

− Trong điều kiện vận hành bình thường khi tải ở định mức, nhiều hệ thống vẫn được duy trì ở chế độ vận hành bằng tay do chế độ tự động không đáp ứng được yêu cầu điều khiển Điều khiển phối hợp lò hơi/tuabin (CCS) chủ yếu làm việc ở chế độ bán tự động “lò theo máy” (Boiler following) hoặc “máy theo lò” (Turbine following)

− Yêu cầu vận hành hệ thống ở chế độ tự động (auto) cũng không được đặt ra một cách bức thiết vì vẫn có công nhân vận hành bằng tay tại màn hình MMI

Ưu tiên số một của nhà máy là tổ máy phát được công suất

− Khi có yêu cầu giảm tải (từ Trung tâm điều độ hoặc lỗi thiết bị) các hệ thống được chuyển về chế độ vận hành bằng tay (đặc biệt là hệ thống cấp nhiên liệu