Thiết kế bộ điều chỉnh PID để điều khiển và ổn định mức nước trong hệ thống mức nước bao hơi, đề xuất cải thiện chất lượng bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---LƯU VĂN SỞ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC TRONG HỆ THỐNG MỨC NƯỚC BAO HƠI, ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-LƯU VĂN SỞ

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC TRONG HỆ THỐNG MỨC NƯỚC BAO HƠI, ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa

THÁI NGUYÊN – 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN h tt p : / / www l r c - t n u.edu.v n /

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LƯU VĂN SỞ

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU CHỈNH PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC TRONG HỆ THỐNG MỨC NƯỚC BAO HƠI, ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 605201216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS TRẦN XUÂN MINH

THÁI NGUYÊN – NĂM 2015

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN h tt p : / / www l r c - t n u.edu.v n /

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Lưu Văn Sở

Sinh ngày: 10 tháng 01 năm 1978

Học viên lớp cao học Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - khoá 15 - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.

Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng nghề Hà Giang - Thành Phố Hà Giang - Tỉnh Hà Giang.

Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác.

Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn.

Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Tác giả luận văn

Lưu Văn Sở

LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Khoa sau đại học, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy giáo, cô giáo, các anh chị tại Trung tâm thí nghiệm đã động viên, giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hoàn thành bản luận văn của mình.

Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong khoa Điện, bộ môn Điều khiển tự động hóa của trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy TS Trần Xuân Minh, người đã luôn ân cần hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt thời gian làm luận văn giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao Tôi xin gửi những lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Trần Xuân Minh, các thầy, cô giáo trong khoa Điện, bộ môn Điều khiển tự động – Trường Đại học đã giúp đỡ, tạo điều kiện trong suốt quá trình học tập tại trường.

Do thời gian, cũng như kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên luận văn này chắc chắn không tránh khỏi tài những thiếu sót Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này.

Học viên

Lưu Văn Sở

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan i Lời cảm

ơn ii Mục lục

iii Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt vi

Danh mục các bảng biểu viii Danh mục các hình vẽ và đồ thị ix MỞ ĐẦU

1 NỘI DUNG 3

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH 3

BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.1 Khái quát về hệ thống năng lượng gió và đối tượng nghiên cứu 3

1.1.1 Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện 3

1.1.2 Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện 4

1 2 Lò hơi nhà máy nhiệt điện 6

1.2.1 Nhiệm vụ của lò hơi 6

1.2.2 Cấu tạo của lò hơi 6

1.2.3 Các loại lò hơi chính 8

1.2.4 Hệ thống điều khiển lò hơi 11

1.2.4.1 Lò hơi là một đối tượng điều khiển 11

1.2.4.2 Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò hơi 12

1.3 Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện 14

1.3.1 Đặt vấn đề 14

1.3.2 Hệ điều khiển bao hơi 15

1.3.3 Mục tiêu nghiên cứu 17

1.4 Kết luận chương 1 18

Chương 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN 19

MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 2.1 Đặt bài toán 19

2.2 Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển mức 21

nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện 2.2.1 Cấu trúc mô hình nhà máy nhiệt điện 21

2.2.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống mức nước cấp bình bao hơi 22

2.2.3 Hàm truyền các thành phần của hệ thống 22

2.2.3.1 Thiết bị đo 22

2.2.3.2 Thiết bị chấp hành 26

2.2.3.3 Bình bao hơi 31

2.3 Hàm truyền của hệ thống 37

2.4 Kết luận: 37

Chương 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN VÀ 39

ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI 3.1 Tổng quan bộ điều khiển PID 39

3.1.1 Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t) 40

3.1.1.1 Phương pháp Ziegler – Nichols 40

3.1.1.2 Phương pháp Chien – Hrones – Reswick 41

3.1.1.3 Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn 42

3.1.2 Thiết kế điều khiển ở miền tần số 42

3.1.2.1 Nguyên tắc thiết kế 43

3.1.2.2 Phương pháp tối ưu modul 43

3.1.2.3 Phương pháp tối ưu đối xứng 44

3.2 Thiết kế điều khiển mức nước cấp bình bao hơi 45

3.3 Đánh giá chất lượng hệ thống bằng mô phỏng trên Matlab – Simulink 47

3.3.1 Sơ đồ mô phỏng bằng matlab – Simulink 47

3.3.2 Các kết quả mô phỏng 47

3.4 Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thực nghiệm 48

3.4.1 Mô hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm 48 3.4.2 Giới thiệu về mô hình thực nghiệm 50 3.4.3 Các kết quả thực nghiệm 55 3.4.4 So sánh với kết quả mô phỏng 56

Chương 4 ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN

MỨC NƯỚC BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH 57

THAM SỐ PID 4.1 Cấu trúc một bộ điều khiển mờ 57

4.1.1 Mờ hóa 57

4.1.2 Giải mờ 58

4.1.3 Khối luật mờ và khối hợp thành 59

4.1.3.1 Các bước xây dựng luật hợp thành khi có nhiều điều kiện 60

4.1.3.2 Thuật toán xây dựng luật hợp thành của nhiều mệnh đề hợp thành

61 4.1.4 Bộ điều khiển mờ 62

4.1.4.1 Bộ điều khiển mờ động 62

4.1.4.2 Bộ điều khiển thích nghi 63

4.1.4.3 Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 64

4.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 64

4.2.1 Phương pháp thiết kế 64

4.2.2 Nhận xét 69

4.3 Khảo sát bằng mô phỏng Matlab/Simulink 69

4.3.1 Sơ đồ mô phỏng 69

4.3.2 Kết quả mô phỏng và so sánh bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số 70 bộ điều khiển PID 4.3.3 Nhận xét 71

4.4 Kết luận chương 4 71

Kết luận và kiến nghị 73

Tài liệu tham khảo 74

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu:

STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ

1 CO Tín hiệu điều khiển

2 MV Biến điều khiển

3 CV Biến được điều khiển

4 PM Tín hiệu đo

5 W H Hàm truyền đạt

6 K Hệ số khuếch đại đầu ra

7 kI,  Các hệ số khuếch đại đầu vào

8 SISO Tín hiệu có một đầu vào và một đầu ra

9 MIMO Tín hiệu có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra.

10 SIMO Tín hiệu có một đầu vào và nhiều đầu ra.

11 MISO Tín hiệu có nhiều đầu vào và một đầu ra.

Các chữ viết tắt

19 FMRAFC Bộ điều khiển mờ thích nghi

theo mô

20 Measurementdevice Thiết bị đo

21 Sensor Cảm biến

22 Sensor element Phần tử cảm biến, đầu đo

23 Signal conditioning Điều hoà tín hiệu

24 Transmitter Bộ chuyển đổi đo chuẩn

25 Transducer Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng

vii STT Ký hiệu Diễn giải nội dung

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Số hiệu Nội dung bảng biểu Trang

Bảng 1.1 Quá trình sinh hơi 7

Bảng 1.2 Cấu tạo các bộ phận chính của lò hơi có bao hơi đốt phun 9

Bảng 3.1 Danh mục các thiết bị mô hình thực nghiệm 51

Bảng 4.1 Luật chỉnh định K p 67

Bảng 4.2 Luật chỉnh định K D 68

Bảng 4.3 Luật chỉnh định  68

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Số hiệu Nội dung Trang

Hình 1.1 Quá trình chuyển hóa năng lượng 4

Hình 1.2 Sơ đồ đồ chu trình nhiệt của một tở máy 5

Hình 1.3 Nguyên lý cấu tạo lò hơi 7

Hình 1.4 Các bộ phận chính của lò hơi đốta than phun 8

Hình 1.5 Sơ đồ cấu tạo của lò hơi có bao hơi 10

Hình 1.6 Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển lò hơi 13

Hình 2.1 MH NMTĐ tại trung tâm TN của trường ĐH kỹ thuật công 22

nghiệp Hình 2.2 Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình 22

Hình 2.3 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình 23

Hình 2.4 Một số hình ảnh thiết bị đo công nghiệp 24

Hình 2.5 Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành 26

Hình 2.6 Cấu trúc tiêu biểu của một van cầu khí nén 27

Hình 2.7 Biểu tượng và ký hiệu cho kiểu tác động của van điều khiển 28

Hình 2.8 Bao hơi nhà máy nhiệt điện 31

Hình 2.9

Hệ thống lọc khí, hầm nước và bơm cấp nước 32

Hình 2.10

Cơ cấu đo và hiển thị mức nước dùng ống kính 33

Hình 2.11 Đặc tính động của mức nước bình bao hơi khi thay đổi lưu 35

lượng nước cấp Hình 2.12

Đặc tính động của mức nước bao hơi theo lưu lượng nước cấp 36

Hình 2.13

Sơ đồ điều chỉnh mức nước bao hơi một tín hiệu 37

Hình 2.14

Cấu trúc mô tả toán học của toàn hệ thống 37

Hình 3.1

Sơ đồ khối bộ điều khiển tuyến tính (PID) 38

Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID 39

Hình 3.3

Đồ thị quá độ 40Hình 3.4

Sơ đồ hệ thống điều khiển 42Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao hơi 45

nhà máy nhiệt điện Hình 3.6

Cấu trúc mô phỏng điều khiển mức nước cấp bao hơi 46Hình 3.7

Đáp ứng của hệ thống với mức nước 70% 47Hình 3.8

Đáp ứng của hệ thống với mức nước nhảy cấp từ 70% lên 90% 47Hình 3.9 Cấu trúc thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bình bao hơi 48 Hình 3.10 Bình cấp nước trong thí nghiệm điều khiển mức nước bao hơi 48 Hình 3.11 Giao diện trong thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi 49 Hình 3.12 Giao diện kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi 49 Hình 3.13 Kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi 80% 54

Kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi nhảy cấp

Hình 3.14 từ 80% xuống 60% 54

Hình 4.1 Cấu trúc bộ điều khiển mờ cơ bản 57

Hình 4.2 Phương pháp giải mờ cực đại 58

Hình 4.3 Phương pháp trọng tâm 59

Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ PD 62

Hình 4.5 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều chỉnh mờ PI(1) 63

Hình 4.6 Sơ đồ khối hệ thống với bộ điều khiển mờ PI(2) 63

Hình 4.7 Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 63

Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp Hình 4.8 64

Hình 4.9 Phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển 64

Hình 4.10 Phương pháp chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID 65

Hình 4.11 Bên trong bộ điều chỉnh mờ 66

Hình 4.12 Tập mờ e và e’ 67

Hình 4.13 Tập mờ  67

Hình 4.14 Tập mờ Kp và KD 67 Hình 4.15 Cấu trúc chỉnh đỉnh mờ tham số PID 68

Sơ đồ mô phỏng mức nước bao hơi với bộ điều khiern PID và

Hình 4.16 bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 69

Hình 4.17 Sơ đồ mô phỏng mức nước bao hơi với cấu trúc bộ điều khiểnmờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 70

Hình 4.18 Đáp ứng mức nước bao hơi khi đặt 70% 70

Đáp ứng áp suât bao hơi khi mức nước đặt thay đổi từ 70% lên Hình 4.19 90% 71

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Trong nhà máy nhiệt điện một thiết bị quan trọng nhất là lò hơi Để đảm bảo quá trình hoạt động của nhà máy nhiệt điện cũng như các dây chuyền có sử dụng lò hơi thì việc điều khiển mức nước bao hơi của lò đóng vai trò cực kỳ quan trọng Nó quyết định đến năng suất và chất lượng của dây chuyền Việc thiết kế các bộ điều khiển các quá trình trong hệ thống mức nước bao hơi là đòi hỏi cấp thiết đối với cán bộ kỹ thuật, cán bộ, công nhân vận hành

Một số dây chuyền có sử dụng lò hơi đang sử dụng ở nước ta hiện nay có thời gian phục vụ lâu, các hệ thống điều khiển thường là thế hệ cũ hoặc do thời gian nên

bị hỏng, cần thiết phải thiết kế mới cũng như áp dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại

để cải thiện chất lượng.

Tuy nhiên do thời gian có hạn và hạn chế về kiến thức cũng như về thiết bị thí nghiệm nên em chỉ có thể quan tâm đến một phần của hệ thống điều khiển mức nước bao hơi.

Xuất phát từ thực tiễn đó nên em đã chọn đề tài: Thiết kế bộ điều chỉnh PID

để điều khiển và ổn định mức nước trong hệ thống mức nước bao hơi, đề xuất cải thiện chất lượng bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID.

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tổng quan về điều khiển mức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện.

- Mô tả toán học cho đối tượng điều khiển mức nước cấp bình bao hơi mô hình nhà máy nhiệt điện.

- Thiết kế được bộ điều chỉnh PID ứng dụng vào điều khiển và ổn định mức nước của hệ thống mức nước bao hơi của mô hình lò hơi tại trung tâm thí nghiệm trường Đại học Công nghiệp Thái Nguyên Thực hiện việc mô phỏng và thực nghiệm

để kiểm chứng bộ điều khiển được thiết kế.

- Đề xuất phương án cải thiện chất lượng điều khiển mức nước bình bao hơi của hệ thống mức nước bao hơi bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID.

3 Nội dung của luận văn

Với các mục tiêu đã đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:

điện.

Chương 1 Tổng quan về điều khiển mức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt

Chương 2 Mô tả toán học cho đối tượng điều khiển mức nước cấp bình bao hơi mô hình nhà máy nhiệt điện.

Chương 3 Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển và ổn định mức nước cấp bình bao hơi.

Chương 4 Đề xuất cải thiện chất lượng điều khiển mức nước bình bao hơi bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID.

Kết luận và kiến nghị

Chương 1TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY

NHIỆT ĐIỆN

1.1 Tổng quan chung về nhà máy nhiệt điện

Nhà máy hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển hóa nhiệt năng thành

cơ năng rồi sau đó thành điện năng Nhiệt năng được tạo thành từ việc đốtcháy các nhiên liệu: than đá, khí thiên nhiên, dầu mỏ tại buồng đốt làmnước trong lò hơi chuyển hóa thành hơi nước Hơi nước (với các điều kiện về

áp suất, nhiệt độ, lưu lượng) được đưa tới sinh công ở tuabin Điện năng thuđược ở đầu ra của máy phát sẽ được đưa qua hệ thống các trạm biến áp đểcung cấp cho phụ tải

1.1.1 Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện

Năng lượng nói chung đóng vai trò vô cùng quan trong trong đời sốngkinh tế – xã hội của loài người Xã hội càng phát triển thì nhu cầu sử dụng nănglượng ngày càng cao Nhưng nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệtdần, nó tỷ lệ thuận với tốc độ phát triển của kinh tế thế giới Trong những nămqua, ngành năng lượng của nước ta đã có những bước phát triển mạnh mẽ, về

cơ bản đã đáp ứng được yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội và đời sống sinhhoạt của nhân dân Tuy nhiên, trước sự phát triển của các khu công nghiệp,các thành phố, đô thị thì yêu cầu bảo đảm nhu cầu về năng lượng để duytrì mức tăng trưởng kinh tế, góp phần bảo đảm an ninh chính trị, trật tự antoàn xã hội và đời sống của nhân dân là rất quan trong Do đó, “Khai thác và

sử dụng năng lượng có hiệu quả và bền vững; Vấn đề sử dụng tiết kiệm cácnguồn năng lượng; Khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng mới…qua đó,

nó góp phần vào sự phát triển ngành năng lượng, quá trình triển khai côngnghiệp hóa và hiện đại hóa nước ta”

Nguyên lý sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện là chuyển hoá nhiệtnăng từ đốt cháy các loại nhiên liệu trong lò hơi thành cơ năng quay tuabin,chuyển cơ năng của tuabin thành năng lượng điện trong máy phát điện Nhiệtnăng được dẫn đến tuabin qua môi trường dẫn nhiệt là hơi nước Hơinước chỉ là môi trường truyền tải nhiệt năng đi nhưng hơi nước vẫn phảiđảm bảo chất lượng ( như phải đủ áp suất, đủ độ khô) trước khi vào tuabin đểsinh công Nhiệt năng cung cấp càng nhiều thì năng lượng điện phát ra cànglớn và ngược lại Điện áp phát ra ở đầu cực máy phát điện sẽ được đưa qua hệthống trạm biến áp để nâng lên cấp điện áp thích hợp trước khi hoà vào mạnglưới điện quốc gia.

Quá trình chuyển hoá năng lượng từ năng lượng hoá năng chứa trongnhiên liệu thành nhiệt năng bởi quá trình đốt cháy nhiên liệu Nhiệt năngcủa quá trình đốt cháy nhiên liệu được cấp cho quá trình tạo hơi bão hoà mangnhiệt năng Hơi bão hoà là môi trường truyền nhiệt từ lò đến tuabin Tạituabin nhiệt năng biến đổi thành cơ năng, sau đó từ cơ năng chuyển hoáthành điện năng Quá trình chuyển hoá năng lượng đó có thể được thể hiệnqua mô hình sau:

Hình 1.1 Quá trình chuyển hóa năng lượng1.1.2 Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện

Nhà máy nhiệt điện hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển hóa nhiệtnăng thành cơ năng rồi sau đó thành điện năng Nhiệt năng được tạo thành từviệc đốt

cháy các nhiên liệu: than đá, khí thiên nhiên, dầu mỏ tại buồng đốt làm nướctrong lò hơi chuyển hóa thành hơi nước Nước ngưng từ các bình ngưng tụ

ngưng được gia nhiệt bởi hơi nước trích ra từ các cửa trích hơi qua tuabin Saukhi đi qua các bộ gia nhiệt hạ áp, nước ngưng được đưa lên bình khử khí 6at

để khử hết các bọt khí có trong nước, chống ăn mòn kim loại Nước sau khiđược khử khí, được các bơm cấp nước đưa qua các bình gia nhiệt cao áp đểtiếp tục được gia nhiệt bởi hơi nước trích ra từ các cửa trích hơi ở xilanh cao áp

được đưa qua bộ hâm nước ở đuôi lò rồi vào bình bao hơi

Nước ở bao hơi theo vòng tuần hoàn tự nhiên chảy xuống các giàn ốngsinh hơi, nhận nhiệt năng từ buồng đốt của lò biến thành hơi nước và trở vềbao hơi Trong bao hơi phần trên là hơi bão hòa ẩm, phía dưới là nước ngưng.Hơi bão hòa ẩm trong bao hơi không được đưa ngay vào tuabin mà được đưaqua các bộ sấy hơi, tại đây hơi được sấy khô thành hơi quá nhiệt, rồi được đưavào tuabin Tại tuabin, động năng của dòng hơi được biến thành cơ năngquay trục hệ thống Tuabin-Máy phát Hơi sau khi sinh công ở các tầng cánhcủa tuabin được ngưng tụ thành nước ở bình ngưng tụ Công do tuabin sinh ralàm quay máy phát điện Như vậy, nhiệt năng của nhiên liệu đã biến đổi thành

cơ năng và điện năng, còn hơi nước là môi chất trung gian được biến đổitheo một vòng tuần hoàn kín

Hình 1.2: Sơ đồ chu trình nhiệt của một tổ máy

1.2 Lò hơi nhà máy nhiệt điện

1.2.1 Nhiệm vụ của lò hơi

Trong nhà máy nhiệt điện, lò hơi là thiết bị lớn nhất sinh hơi và vận hànhphức tạp nhất Nó được cơ khí hóa và tự động hóa khá cao, làm việc đảmbảo và hiệu suất cao Trong đó xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệtlượng tỏa ra sẽ biến nước thành hơi, biến năng lượng của nhiên liệu thànhnhiệt năng của dòng hơi Lò hơi có nhiệm vụ chính như sau:

- Chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu như than đá, dầu mỏ, khí đốt…trong buồng đốt nhiên liệu thành điện năng

- Truyền nhiệt năng sinh ra cho môi chất tải nhiệt hoặc môi chất vàthông qua hệ thống dẫn đưa môi chất đi làm quay tua bin

Thường trong lò hơi chất tải nhiệt là nước có nhiệt độ thông thườngđược đưa lên nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ sôi, biến thành hơi bão hòa hoặchơi quá nhiệt

1.2.2 Cấu tạo của lò hơi

Nguyên lý và cấu tạo của lò hơi được biểu diễn trên hình 1.3 Cấu tạochung của lò hơi là nhằm thực hiện 2 nhiệm vụ chính: Một là chuyển hóa năngcủa nhiên liệu thành nhiệt năng của sản phẩm cháy, nghĩa là đốt nhiên liệuthành sản phẩm cháy có nhiệt độ cao, nước sôi, hơi bão hòa hoặc hơi quánhiệt có áp suất và nhiệt độ thỏa mãn yêu cầu sử dụng

Hình 1.3: Nguyên lý cấu tạo của lò hơi

1- Buồng đốt; 2- dàn ống sinh hơi; 3- vòi phun nhiên liệu + không khí

4- ống nước xuông; 5- bao hơi; 6- ống dẫn hơi trên trần; 7- bộ quá nhiệt hơi;8- Bộ quá nhiệt trung gian hơi; 9- bộ hâm nước; 10- khoảng trống để vệ sinh

và sửa chữa; 11- bộ sấy không khí

Như vậy cấu tạo của lò hơi gồm các hệ thống chính như

sau:

- Hệ thống cung cấp và đốt cháy nhiên liệu

- Hệ thống cung cấp không khí và thải sản phẩm cháy

- Hệ thống sử lí nước và cấp nước làm mát

- Hệ thống sản xuất và cấp nước nóng cho quá trình sinh hơi

- Hệ thống đo lường điều khiển

- Hệ thống an toàn

- Hệ thống lò: Khung lò, tường lò, cách nhiệt…

Với lò đốt phun là loại lò hơi được sử dụng với công suất trung bình vàlớn, dùng phổ biến hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện ở nước ta, có thểđốt nhiên liệu khí, nhiên liệu lỏng phun thành hạt hoặc nhiên liệu rắn nghiềnthành bột mịn

Hình 1.4: Các bộ phận chính của lò hơi đốt than phun

Lò hơi đốt phun gồm các bộ phận chính sau: Bao hơi, van hơi chính,đường nước cấp, vòi phun nhiên liệu, buồng lửa là không gian để đốt cháy tất

cả nhiên liệu phun vào lò, phễu tro lạnh để làm nguội các hạt tro xỉ trước khithải ra ngoài trong trường hợp thải xỉ khô, giếng xỉ để hứng tất cả xỉ rangoài, bơm nước cấp, ống khói, bộ sấy không khí, quạt gió, bộ hâm nước, dànống nước xuống, dàn ống nước lên, dãy festoon dàn ống sinh hơi và bộ quánhiệt, bộ lọc bụi để chống mài mòn cánh quạt khói

1.2.3 Các loại lò hơi chính

Trong nhà máy nhiệt điện thường sử dụng 2 loại lò hơi chính: Lò hơi có

- Lò hơi có bao hơi:

Trong lò có bao hơi thì nước được tuần hoàn tự nhiên trong đường ốngnước xuống và dàn ống sinh hơi dựa vào trọng lượng riêng của môi chất theonguyên lý bề mặt nhận nhiệt nhiều hơn dãn nở nhiều hơn có khối lượngriêng nhỏ hơn bị đẩy lên phía trên (trong giàn ống sinh hơi) Để thực hiện tuầnhoàn tự

nhiên nhiều lần (4÷10) lần thì ống nước xuống và giàn ống sinh hơi phải đượcnối với bao hơi.

- Lò hơi trực lưu:

Lò trực lưu thì không có bình bao hơi nên nước chỉ được tuần hoàn

có một lần Nước chuyển động dưới áp lực của bơm cấp (Bc) qua bộ hâmnước và đi trực tiếp vào bề mặt sinh hơi nhận nhiệt bức xạ của buồng lửa rồitới phần đối lưu Khi đó nước đã được hoá hơi hoàn toàn trở thành hơi bãohoà khô và đi tới

Hình 1.5: Sơ đồ cấu tạo của lò hơi có bao hơi

1- Buồng đốt nhiên liệu 2 - Bơm cấp 3 - Bộ hâm nóng nước 4 - Đườngống dẫn nước vào bao hơi (balông) 5 - Bao hơi 6 - Dàn ống nước xuống 7 -Dàn ống dẫn nước lên 8 - Dãy Pheston cùng với bao hơi tạo thành vòng tuầnhoàn tự nhiên của nước và hơi 9 - Đường ống dẫn hơi bão hoà tới bộ quánhiệt

10 - Bộ quá nhiệt 11 - Van hơi chính đặt trên đường ống dẫn hơi tới turbine.12

- Quạt gió 13 - Thùng nghiền than 14 - Bộ sấy không khí 15 - Vòi phun nhiênliệu 16 - Thuyền xỉ 17 - Đường khói thải 18 - Bộ khử bụi khói 19 - Quạt 20 -Ống khói 21 - Phễu đựng tro bay

Việc thu được hơi nước của hai loại lò trên đều hình thành từ 3 quátrình vật lý là: đun nước nóng tới nhiệt độ sôi (biến đổi hóa năng của nhiên liệu

thành nhiệt năng), nước sôi (hoá hơi hoàn toàn: nước để chuyển từ pha lỏngthành hơi

bão hoà khô) và quá nhiệt đến nhiệt độ đã cho (biến đổi nhiệt năng thành

cơ năng và biến đổi cơ năng thành điện năng) Tuỳ theo quá trình sinh hơi xảy

sôi i’, nhiệt lượng sinh hơi r và nhiệt hàm của hơi bão hoà khô i” sẽ thay đổitương ứng, ví dụ như trên bảng 1.1

Quá trình truyền nhiệt từ sản phẩm cháy cho môi chất được thực hiệnnhờ các dạng trao đổi nhiệt: bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt Hiệu quả của các dạngnày phụ thuộc vào tính chất vật lý của môi trường, môi chất tham gia và phụthuộc vào hình dạng của lò hơi và các thiết bị có trong lò hơi

Trên hình 1.5 là lò hơi có bao hơi đốt phun, đây là loại lò hơi dùng phổbiến hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện ở nước ta và trên thế giới, côngsuất của lò tương đối lớn

1.2.4 Hệ thống điều khiển lò hơi

1.2.4.1 Lò hơi là một đối tượng điều

khiển

Đối với hệ thống điều khiển lò hơi, công suất điện phát ra phụ thuộc vàolưu lượng hơi đưa đến tuabin của máy phát, lưu lượng hơi dẫn vào tuabinnhiều thì nhiệt được truyền theo và sinh công càng nhiều, do vậy điện năngsản xuất ra càng lớn (chuyển hóa năng lượng từ nhiệt năng thành cơ năng vàthành điện năng) làm cho công suất của máy phát tăng lên và ngược lại Nênkhi có yêu cầu về công suất điện phát ra thay đổi thì phải thay đổi lưu lượnghơi đưa vào tuabin, kéo theo đó là yêu cầu nhiệt năng tăng lên, nhiên liệu đưavào lò phải tăng lên và nước cấp vào bao hơi cũng phải tăng lên để có được sảnlượng hơi yêu cầu

Lò hơi là một hệ thống có nhiều đầu vào và có nhiều đầu ra Đầu vào

trình cháy và lượng nước cấp xuống từ bao hơi Đầu ra của lò bao gồm hơinước bã hòa thoát ra từ bao hơi, lượng nước thừa đi xuống, lượng khói

thải và xỉ (tro) từ quá trình cháy Như vậy năng lượng đưa vào lò chính làhóa

năng có chứa trong nhiên liệu Năng lượng hữu ích đầu ra của lò đượcmang đi bởi hơi nước bã hòa (nước là môi chất truyền nhiệt năng) Đầuvào và ra có quan hệ mật thiết với nhau, với mỗi yêu cầu thay đổi đầu ra làcông suất máy phát điện thì cần phải điều khiển nhiên liệu vào như than, gióđáp ứng được sản lượng hơi mong muốn.

1.2.4.2 Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò

hơi

Hệ thống điều khiển lò hơi nhà máy nhiệt điện là một hệ thống điềukhiển có cấu trúc phức tạp với hàng trăm mạch vòng điều khiển khác nhau,giám sát và điều khiển hàng trăm tham số Trong lò hơi các quá trình điềukhiển gió vào lò, nhiên liệu, quá trình cháy, hơi, nước cấp đều có tác động vàảnh hưởng lẫn nhau, để đạt được hiệu suất tối đa, đáp ứng yêu cầu tải thìcùng lúc phải phối hợp điều khiển nhiều đối tượng với nhiều thông số Điềunày yêu cầu một hệ thống điều khiển tổng thể, điều khiển giám sát và làmgiảm được sự xen kênh giữa các hệ điều khiển của các đại lượng trong hệthống

Các hệ điều khiển đó bao gồm nhiều mạch vòng điều khiển khác nhaunhưng chúng được xếp vào hai loại điều khiển thực hiện hai nhiệm vụ chínhsau đây:

- Các mạch vòng điều khiển đảm bảo quá trình chuyển hóa năng lượng

- Các mạch vòng điều khiển đảm bảo chất lượng

Các mạch vòng điều khiển đảm bảo quá trình chuyển hóa năng

lượng

Quá trình chuyển đổi năng lượng trong nhà máy nhiệt điện như ta đã đềcập ở phần trên bao gồm nhiều quá trình chuyển hóa năng lượng: từ hóa năngthành nhiệt năng, nhiệt năng lại chuyển hóa thành hóa năng và cơ năng, từ cơnăng chuyển hóa thành thành điện năng Tuy nhiên trong điều khiển thìquá trình thường đi theo hướng ngược lại, từ yêu cầu của tải quyết định côngsuất máy phát; từ công suất máy phát tính toán ra tổng nhiệt năng theo yêu

cầu Tổng nhiệt năng yêu cầu sẽ là lượng đặt điều khiển lượng than cấp vào vàđiều khiển

lượng khói gió cần thiết để đảm bảo quá trình cháy cung cung cấp nhiệt năng.Ngoài ra, công suất máy phát là lượng đặt điều khiển lượng hơi cấp vào tuabin,đồng thời cũng phải điều khiển nước cấp đảm bảo mức nước cân bằng trongbao hơi Tất cả các quá trình điều khiển đó đều nhằm mục đích là đảm bảo quátrình chuyển hóa năng trong lò.

Các mạch vòng điều khiển đảm bảo chất lượng

Để hiệu suất lò hơi cao nhất, đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất nhưtuổi thọ của nhà máy và chất lượng điện phát ra thì phải đảm bảo được hai yêucầu:

- Chất lượng của quá trình cháy: Nhiên liệu cấp vào lò đủ mịn, lượngkhông khí cấp vào đảm bảo nhiên liệu cháy hết tạo ra nhiệt năng lớn nhất

- Chất lượng của hơi: Hơi có nhiệt độ, áp suất ổn định và lưu lượng đápứng theo yêu cầu tải, ngoài ra hơi nước không được phép lẫn bụi hay các hạtnước li ti tránh gây rỗ và hỏng cánh tuabin

Tất cả các mạch vòng điều khiển đều có sự liên quan ràng buộc lẫn nhau

Vì vậy điều khiển lò hơi là điều khiển phức tạp có nhiều đầu vào nhiều đầu ra(MIMO) có tác động xen kênh lớn Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển lòhơi được trình bày như hình 1.6 như sau:

Hình 1.6: Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển lò hơi

1.3 Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện

1.3.1 Đặt vấn đề

Lò hơi là thiết bị trong đó xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu,nhiệt lượng tỏa ra sẽ biến nước thành hơi, biến năng lượng của nhiên liệuthành nhiệt năng của dòng hơi Lò hơi sản xuất ra hơi để làm quay tuôcbinphục vụ cho việc sản xuất điện năng và cũng là thiết bị lớn nhất và vận hànhphức tạp nhất Lò hơi là một hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra Hệthống điều khiển lò hơi là một hệ thống điều khiển phức tạp, giám sát và điềukhiển hàng trăm tham số Hệ thống có cấu trúc phức tạp với nhiều mạch vòngđiều khiển khác nhau

Vận hành lò hơi là một công việc gồm nhiều thao tác điều khiển phứctạp Quá trình vận hành lò hơi không tách khỏi quá trình vận hành chung toànnhà máy Mỗi một sự thay đổi của một khâu nào đó trong nhà máy đều dẫnđến sự thay đổi chế độ vận hành của lò hơi và đòi hỏi phải thay đổi các thaotác điều khiển lò tương ứng

Nhiệm vụ của công tác vận hành lò hơi là đảm bảo sao cho lò hơi làmviệc ở trạng thái kinh tế nhất, an toàn nhất trong một thời gian lâu dài Cụ thểtrong quá trình vận hành lò hơi không để xẩy ra sự cố và phải đảm bảo lò làmviệc có hiệu suất cao nhất, tương ứng là lượng than tiêu hao để sản xuất 1 kghơi là nhỏ nhất Các thông số của lò hơi như áp suất hơi trong bao hơi hoặc

ở ống góp hơi chung, nhiệt độ hơi quá nhiệt, mức nước trong bao hơi, hệ sốkhông khí thừa, chân không buồng lửa, hàm lượng muối trong nước cấp lò hơi

và trong bao hơi, … phải được giữ cố định và chỉ được phép thay đổi trong mộtphạm vi giới hạn cho phép tương đối nghiêm khắc

Việc tự động hóa lò hơi chủ yếu tập trung vào vấn đề điều khiển tựđộng các quá trình trong lò để đảm bảo cho lò làm việc ổn định và kinh tế nhấtbằng cách điều chỉnh năm quan hệ: phụ tải – nhiên liệu, phụ tải – không khí,phụ tải – khói thải, phụ tải – mức nước bao hơi và phụ tải – xả liên tục

Do nhiệt độ hơi quá nhiệt phụ thuộc rất ít đến phụ tải lò hơi nên việcđiều chỉnh nó được thực hiện độc lập chủ yếu bằng các bộ giảm ôn hỗn hợp.

Từ những chỉ tiêu đặt ra, hệ thống điều khiển lò hơi phải được cấuthành từ một số bộ điều chỉnh tương đối độc lập với nhau gồm:

- Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi

- Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt

- Hệ thống điều chỉnh quá trình cháy

- Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi

- Hệ thống điều chỉnh áp suất bao hơi

1.3.2 Hệ điều khiển bao hơi

Hơi nước chính là đối tượng mang nhiệt năng, hơi được dẫn đến tuabin

để sinh công (nhờ sự chuyển hoá năng lượng từ nhiệt năng thành cơ năng).Bao hơi là thiết bị gom hơi nước sau đó đưa đến tuabin

Nước từ bao hơi được đưa xuống quanh lò bởi các ống dẫn (bao hơi đặtphía trên lò, ở vị trí cao nhất) Buồng đốt được cấu tạo từ các dàn ống sinhhơi, các dàn ông sinh hơi được đốt nóng trực tiếp bởi ngọn lửa trong lò, nướctrong các dàn ống sinh hơi sẽ sôi và sinh hơi Hỗn hợp hơi nước bốc lên từcác dàn ống sinh hơi tường hai bên lò tập trung vào các ống góp trên hai bênsườn trần lò Từ các ống góp này hỗn hợp hơi nước đi vào bao hơi bằng cácđường ống lên Hơi nước vào bao hơi sẽ qua máy lọc hơi để lọc đi phần nướctrong hỗn hợp hơi nước rồi được đưa vào bộ quá nhiệt để khử ẩm cho hơi vàđảm bảo chất lượng hơi trước khi bắn vào tuabin

Hơi nước là môi chất truyền năng nượng, để đảm bảo hiệu suất biến đổinăng lượng được tốt cần phải quan tâm tới các thông số cơ bản của hơi nướclà: lưu lượng hơi, nhiệt độ hơi và áp suất sinh hơi

* Lưu lượng hơi: Lưu lượng hơi là thông số biến đổi theo phụ tải Lưulượng hơi dẫn vào tuabin càng nhiều thì công sinh ra càng lớn và công suấtmáy phát càng tăng lên và ngược lại Ở mỗi giá trị công suất điện phát ra cần

có một lưu lượng hơi tương ứng Để điều chỉnh lưu lượng hơi phải điều chỉnhnhiên liệu đầu vào cho quá trình cháy trong lò hơi và điều chỉnh van tuabin Khiđiều chỉnh nhiên liệu thì đồng thời tác động lên bộ điều khiển không khí chophù hợp với chế độ kinh tế nhất Hệ thống điều chỉnh phụ tải nhiệt nhằm duytrì ổn định sản lượng hơi ứng với giá trị yêu cầu

Tuy nhiên lưu lượng hơi có thể bị thay đổi so với giá trị yêu cầu do nhiềunguyên nhân như: Sự thay đổi độ ẩm và nhiệt trị của nhiên liệu, Nhiệt độ nướccấp, cũng như sự biến động của nhiên liệu, … Những thay đổi đó là tín hiệu tácđộng trở lại bộ điều chỉnh nhiên liệu để thay đổi lượng nhiên liệu từ đó duy trìlượng hơi ổn định theo yêu cầu

* Nhiệt độ hơi: Nhiệt độ hơi quá nhiệt là thông số quan trọng, thông

số này cần được điều chỉnh giữ ổn định tại mọi giá trị tải Nhiệt độ hơi đượcduy trì ở một giá trị cố định nhằm tiết kiệm năng lượng, tránh gây hư hạiđường ống do dao động về nhiệt, và tránh tổn thất nhiệt năng do có sự traođổi nhiệt giữa hơi và đường ống dẫn hơi Hơi bão hoà ra khỏi bao hơi cónhiệt độ không ổn định do nhiều nguyên nhân như sự thay đổi tải lò, sự biếnđổi của bề mặt truyền nhiệt,…

* Áp suất hơi: Áp suất hơi cũng là một thông số của hệ điều khiển, vớimọi giá trị yêu cầu của tải thì áp suất hơi được điều chỉnh ở một giá trị ổn đinh

Giữa áp suất hơi và lưu lượng hơi có mối quan hệ qua lại với nhau Khilưu lượng hơi tăng thì ngay lập tức áp suất hơi sẽ giảm do hơi từ bao hơi chưacung cấp kịp cho sự thay đổi của yêu cầu hơi Vì vậy sự thay đổi của áp suất hơikhi có yêu cầu thay đổi tải lò còn dùng làm tín hiệu tính toán yêu cầu nhiên liệu

Khi áp suất ổn định chứng tỏ lượng hơi tiêu thụ và lượng hơi sinh ra cânbằng nhau Áp suất hơi giảm tức là hơi tiêu thụ nhiều tăng lên, nên cần phảităng

thêm nhiêu liệu đê tăng sản lượng hơi, còn khi áp suất hơi tăng lên thì quá trình xảy ra ngược lại,

Tóm lại nhiệt độ, lưu lượng và áp suất hơi quá nhiệt trước khi vàotuabin là các thông số quan trọng của hệ thống điều khiển hơi Việc tối ưu hoácác giá trị này như một giải pháp nâng cao hiệu suất của nhà máy và chấtlượng điện phát ra

Hệ thống điều khiển hơi có hai hệ điều khiển được phân ly: hệ điềukhiển nhiệt độ và hệ điều khiển áp suất – lưu lượng

Hệ điều khiển áp suất và lưu lượng hơi: Đại lượng yêu cầu điều khiển ởđây là áp suất hơi phải giữ không đổi với mọi giá trị tải yêu cầu, trong khi đó lưulượng lại luôn thay đổi phụ thuộc vào công suất tải yêu cầu Để thực hiện điềukhiển được hai đại lượng đó thì phải điều khiển tới yêu cầu nhiên liệu

1.3.3 Mục tiêu của nghiên cứu

Vấn đề quan trọng của các hệ thống điều khiển quá trình là bộ điều khiển.Với các bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển quá trình có chất lượng thấpnhư không thích nghi, không bền vững, tín hiệu điều khiển không bị chặn.Trên cơ sở các tín hiệu vào là lưu lượng nước cấp, lưu lượng hơi tươi và mứcnước bao hơi, bộ điều chỉnh mức nước sẽ làm thay đổi độ mở van cấpnước một cách tương ứng để duy trì ổn định mức nước trong bao hơi Nếu

có sự cố tràn mức, các van xả sự cố sẽ tác động đến xả nước về bể chứa nướccấp Yếu tố tác động mạnh nhất gây ra sự mất ổn định mức nước bao hơi làlưu lượng hơi tươi cấp cho tuabin Do đó, yêu cầu đối với bộ điều chỉnh mứcnước là phải có độ tác động nhanh phù hợp Nếu bộ điều chỉnh mức nước tácđộng quá nhanh, van nước cấp sẽ phải đóng mở liên tục, dẫn đến tình trạngmau hư hỏng

Việc đưa ra phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho một hệthống điều khiển quá trình, cụ thể là điều khiển mức nước cấp trong bình bao

hơi của nhà máy nhiệt điện, đảm bảo khả năng hoạt động tốt trong mọi chế

độ làm việc