Thiết kế bộ điều khiển feedforward theo nguyên lý cân bằng năng lượng toàn cục cho hệ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi ở nhà máy lọc dầu dung quất

Luận văn trình bày phương pháp sử dụng kỹ thuật feedforward động theo nguyên lý cân bằng năng lượng toàn cục để thiết kế một bộ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt cho lò hơi siêu cao áp ở Nhà máy lọc dầu Dung Quất nhằm đảm bảo nhiệt độ hơi đầu ra khỏi bộ quá nhiệt BQN nằm trong giới hạn 505 5oC khi phụ tải lò hơi thay đổi với tốc độ không quá 20 công suất định mức của lò hơi MCR phút Kết quả mô phỏng trên matlab simulink cho thấy bộ điều khiển mới cho kết quả điều khiển tốt

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- oOo -

NGUYỄN VĂN LUẬN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FEEDFORWARD

THEO NGUYÊN LÝ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG TOÀN CỤC CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT CỦA LÒ HƠI Ở NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng, 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- oOo -

NGUYỄN VĂN LUẬN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FEEDFORWARD

THEO NGUYÊN LÝ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG TOÀN CỤC CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT

CỦA LÒ HƠI Ở NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số: 8.52.02.16

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN ANH DUY

Đà Nẵng, 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy TS Nguyễn Anh Duy

Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng và trung thực tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố

Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Người cam đoan

NGUYỄN VĂN LUẬN

TÓM TẮT

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FEEDFORWARD THEO NGUYÊN LÝ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG TOÀN CỤC CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT

CỦA LÒ HƠI Ở NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT

Học viên: Nguyễn Văn Luận Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Tóm tắt: Luận văn trình bày phương pháp sử dụng kỹ thuật feedforward động theo

nguyên lý cân bằng năng lượng toàn cục để thiết kế một bộ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt cho lò hơi siêu cao áp ở Nhà máy lọc dầu Dung Quất, nhằm đảm bảo nhiệt độ hơi đầu ra khỏi

bộ quá nhiệt (BQN) nằm trong giới hạn 505 +/- 5oC khi phụ tải lò hơi thay đổi với tốc độ không quá 20% công suất định mức của lò hơi (MCR)/phút Kết quả mô phỏng trên matlab simulink cho thấy bộ điều khiển mới cho kết quả điều khiển tốt

Từ khóa: Điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt, bộ điều khiển GDFC, nguyên lý cân bằng

năng lượng toàn cục, lò hơi

DESIGN OF FEEDFORWARD CONTROLLER ACCORDING TO GLOBAL ENERGY BALANCING PRINCIPLES FOR HEAT-TEMPERATURE CONTROL

FOR BOILER OF DUNG QUAT REFINERY

Student: Nguyen Van Luan Specialization: Control and Automation Engineering

Abstract: The thesis presents the method of using feedforward technique according to

the principle of global energy balance to design a superheated steam temperature controller for super high pressure boiler in Dung Quat oil refinery, to ensure the output superheat steam temperature from the superheater (BQN) is within the 505 +/- 5oC limit when the boiler load changes at a rate not exceeding 20% of the boiler rated power (MCR)/min Simulation results

on matlab simulink show that the new controller gives good control results

Key words: Overheating steam control, GDFC controller, global energy balance,

boiler

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, các anh chị và các bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện

đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 2

4.1 Phương pháp lý thuyết 2

4.2 Phương pháp thực nghiệm 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Cấu trúc của luận văn 3

7 Tổng quan tài liệu nghiên cứu 4

CHƯƠNG 1 7

TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT TẠI NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT 7

1.1 Tổng quan về lò hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất 7

1.1.1 Giới thiệu sơ lược về lò hơi NMLD Dung Quất 7

1.1.2 Vai trò của lò hơi trong NMLD Dung Quất 9

1.2 Cấu tạo, vai trò và nguyên lý làm việc của bộ quá nhiệt 10

1.2.1 Cấu tạo của bộ quá nhiệt 10

1.2.2 Chức năng của bộ quá nhiệt 11

1.2.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống quá nhiệt 12

1.3 Ý nghĩa của việc điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt 12

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến động học quá trình điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt 14

1.4.1 Ảnh hưởng của phụ tải lò 14

1.4.2 Ảnh hưởng của tốc độ thay đổi tải lò 15

1.4.3 Ảnh hưởng của bám bẩn bề mặt trao đổi nhiệt 16

1.4.4 Ảnh hưởng của vị trí ngọn lửa trong buồng đốt 17

1.4.5 Ảnh hưởng của áp suất nước giảm ôn 17

1.4.6 Ảnh hưởng của độ ẩm hơi bão hòa 17

1.4.7 Ảnh hưởng của hệ số không khí thừa 17

1.5 Nguyên lý điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt 18

1.6 Kết luận chương 1 19

CHƯƠNG 2 20

KHẢO SÁT HỆ THỐNG BỘ QUÁ NHIỆT LÒ HƠI SIÊU CAO ÁP TẠI

NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT 20

2.1 Mô hình bộ quá nhiệt 20

2.1.1 Một số giả thiết 20

2.1.2 Mô hình toán bộ quá nhiệt 21

2.1.3 Mô hình toán bộ cấp nước giảm ôn 24

2.2 Mô phỏng quá trình cháy và sinh hơi trong lò hơi 25

2.3 Kết quả thực nghiệm trên lò hơi A4001A 26

2.3.1 Phương pháp thực nghiệm và thu thập dữ liệu 26

2.4 Mô phỏng hệ thống quá nhiệt 27

2.5 Mô phỏng bộ điều khiển SFC 30

2.5.1 Xác định giá trị đầu ra cho hai bộ bù feedforward tĩnh 31

2.5.2 Xác định tham số K p , KI cho bộ điều khiển TIC-04 và TIC-12 32

2.6 Kết luận chương 2 33

CHƯƠNG 3 35

PHÂN TÍCH ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ NHIỆT 35

3.1 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt của nhà máy lọc dầu Dung Quất 35

3.2 Ưu và nhược điểm của bộ điều khiển SFC 36

3.2.1 Ưu điểm 36

3.2.2 Nhược điểm 36

3.2.3 Nguyên nhân và hạn chế của bộ ĐK SFC 38

3.3 Ưu và nhược điểm của bộ điều khiển ADFC 38

3.3.1 Ưu điểm 38

3.3.2 Nhược điểm 40

3.3.3 Nguyên nhân và hạn chế của bộ điều khiển ADFC 40

3.4 Đề xuất nâng cao chất lượng điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt 40

3.5 Kết luận chương 3 41

CHƯƠNG 4 42

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FEEDFORWARD ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG TOÀN CỤC (GDFC) 42

4.1 Sơ đồ điều khiển GDFC 42

4.2 Thuật toán Feedforward động theo nguyên lý cân bằng năng lượng toàn cục

(NLCBNLTC) 43

4.2.1 Công thức tính feedforward bù động nhiễu tải m h (GFF) 43

4.2.2 Tóm tắt thuật toán feedforward động theo nguyên lý cân bằng năng lượng toàn cục: 46

4.3 Thiết kế bộ điều khiển GDFC 46

4.3.1 Thu thập giá trị các thông số cho bộ điều khiển 46

4.3.2 Lập bảng tính enthalpy của hơi 46

4.3.3 Lập bảng ước lượng nhiệt lượng Q cấp cho hệ thông qua lượng Fuel gas cấp cho lò ……….47

4.3.4 Tính lưu lượng nước làm mát phun vào bộ giảm ôn (m n) 48

Lưu lượng nước giảm ôn cần cung cáp vào bộ giảm ôn được xác định theo công thức (4.4); 48

4.3.5 Tính tín hiệu feedforward điều chỉnh độ mở của van phun nước 48

4.4 Mô phỏng bộ điều khiển GDFC 48

4.4.1 Mô phỏng bộ bù động nhiễu tải GFF 48

4.4.2 Kết quả chạy mô phỏng bộ điều khiển GDFC 50

a) Trường hợp tăng tải lò từ 50% lên 70% 50

b) Trường hợp giảm tải lò từ 80% xuống 60% 51

4.5 Mô phỏng ảnh hưởng của tốc độ thay đổi phụ tải lò 53

4.5.1 Mô phỏng trường hợp tăng tải lò 10% và 20% 53

4.5.2 Mô phỏng trường hợp giảm tải lò 10% và 20% 55

4.6 Kết luận chương 4 56

CHƯƠNG 5 57

SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT GIỮA CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN GDFC- SFC VÀ GDFC-ADFC 57

5.1 So sánh đánh giá bộ điều khiển GDFC và SFC 57

5.1.1 So sánh khi tăng tải lò từ 50% lên 70% 57

5.1.2 So sánh khi giảm tải lò từ 80% xuống 60% 60

5.2 So sánh đánh giá bộ điều khiển GDFC và ADFC 62

5.2.1 Khi tăng tải lò từ 50% lên 70% 62

5.2.2 So sánh khi giảm tải lò từ 80% xuống 60% 65

5.4 Kết luận chương 5 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69

1 Kết luận 69

2 Kiến nghị 69 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 So sánh mô hình với đối tượng thật tại các điểm phụ

tải khác nhau

29

Bảng 2.2 Giá trị các tham số trong mô hình hệ thống quá nhiệt 29

Bảng 2.4 Tham số của bộ điều khiển PI trong sơ đồ 33 Bảng 4.3.1 Enthalpy của hơi quá nhiệt theo nhiệt độ [P=10,7MPa] 47 Bảng 4.3.2 Ước lượng nhiệt lượng Q cấp cho bộ quá nhiệt 47

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1a Photo về lò hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất 7 Hình 1.1b Graphic về lò hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất trên DCS 8 Hình 1.1c Sơ đồ mô tả về BQN lò hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất 8 Hình 1.1d Hình Sơ đồ mạng nhiệt của phân xưởng Nhà máy điện –NMLD

Dung Quất

9

Hình 1.2 Sơ đồ mô tả về BQN lò hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất 10 Hình 1.3 Ống quá nhiệt của lò hơi ở NMLD bị nổ do nhiệt độ cao 13 Hình

Hình 2.4 Sơ đồ mô phỏng quá trình cháy và sinh hơi trong lò hơi 26 Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi A-4001A 26 Hình 2.6 Mô phỏng hệ thống quá nhiệt hơi của lò hơi A-4001A trên

Matlab/Simulink

27

Hình 2.7 Đồ thị so sánh đáp ứng bước nhảy của mô hình với đối tượng

thật ở phụ tải 60% công suất lò

28

Hình 2.8 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển feedforward tĩnh 29

Hình 3.2 Biến động nhiệt độ hơi khi lò giảm công suất từ 58% xuống 27%

và từ 27% lên 42% với tốc độ thay đổi 10% MCR/ phút

37

Hình.3.3 Dao động nhiệt độ hơi ra khi xả đáy định kỳ cho lò hơi 37

Hình 3.4 Đặc tính nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi 38 Hình 3.5 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi bằng phương

pháp điều khiển feedforward động thích nghi

4.1a

Hình 4.2a Sơ đồ mô phỏng bộ bù động nhiễu tải GFF (chi tiết) 48 Hình 4.2b Sơ đồ mô phỏng bộ bù động nhiễu tải GFF 49

Hình

4.4a

Đặc tính nhiệt độ đầu ra (màu đỏ), đặc tính độ mở van phun

(màu xanh), khi tăng tải lò từ 50% lên 70%

Đặc tính nhiệt độ đầu ra (màu đỏ), độ mở van phun (màu xanh),

khi giảm tải lò từ 80% xuống 60%

So sánh độ mở van nước giảm ôn giữa BĐK GDFC-SFC khi

Hình so sánh độ mở van nước giảm ôn giữa BĐK GDFC-ADFC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU

A : Diện tích trao đổi nhiệt [m2]

C : Nhiệt dung riêng đẳng áp [kJ/kgK]

ADFC : Bộ điều khiển feedforward động thích nghi

MCR : Công suất định mức của lò hơi

DCS : Hệ thống điều khiển phân tán/Distributed Control System

PCS : Hệ tống điều khiển quá trình / Process Control System

BQN : Bộ quá nhiệt; BGO : Bộ giảm ôn; BĐK : Bộ diều khiển

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Theo tiêu chuẩn ASME phạm vi thay đổi nhiệt độ cho phép của hơi quá nhiệt trong Nhà máy lọc dầu Dung Quất thường là ± 5oC xung quanh giá trị đặt Việc điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt trong các lò hơi tại Nhà máy nhằm ổn định cân bằng năng lượng là cực kì quan trọng, nếu vì một nguyên nhân nào đó dẫn đến nhiệt độ quá cao, quá thấp hoặc biên độ dao động lớn thì đều ảnh hưởng nghiêm trọng đến vấn đề an toàn, độ tin cậy và kinh tế vận hành lò hơi & tuabin của nhà máy Do đó, việc tìm ra một kỹ thuật điều khiển mới với thuật toán đơn giản, dễ áp dụng, có thể xây dựng trực tiếp trên hệ thống điều khiển sẵn có của các lò hơi hiện nay như DCS, PCS hiện hữu chính là tính cấp thiết của đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu

Sử dụng kỹ thuật feedforward động theo nguyên lý cân bằng năng lượng toàn cục để thiết kế một bộ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt cho lò hơi siêu cao

áp ở Nhà máy lọc dầu Dung Quất, nhằm đảm bảo nhiệt độ hơi đầu ra khỏi bộ quá nhiệt (BQN) nằm trong giới hạn 505 +/- 5oC khi phụ tải lò hơi thay đổi với tốc độ không quá 20% công suất định mức của lò hơi (MCR)/phút

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt của

04 lò hơi cao áp tại cụm phân xưởng phụ trợ nóng, Nhà máy lọc dầu Dung Quất, với công suất mỗi lò là 196 Tấn/h, áp suất hơi 107 bar, nhiệt độ hơi quá nhiệt

505oC, đốt khí nhiên liệu Lò hơi được sản xuất năm 2008 của hãng Cerrey Mexico, lắp đặt tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất, Quảng Ngãi, Việt Nam Hệ

thống điều khiển là DCS (Experion C200) của Honeywell

Bộ quá nhiệt của lò hơi này gồm hai cấp, chế tạo bằng thép hợp kim

Cr-Mo, giảm ôn bằng nước phun vào vào phía hơi đặt giữa hai cấp

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài gồm:

- Thuật toán điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt theo nguyên lý cân bằng năng lượng toàn cục;

- Khảo sát đặc tính động học của hệ thống quá nhiệt lò hơi để hiểu đối tượng

4 Phương pháp nghiên cứu

4.1 Phương pháp lý thuyết

Nghiên cứu tư liệu: nghiên cứu tài liệu, giáo trình, các bài báo khoa học

và tài liệu thiết kế của nhà sản xuất

Mô hình hóa: xây dựng mô hình toán của đối tượng dựa trên các khái niệm, định luật vật lý, định lí toán toán học và các số liệu thiết kế của nhà sản xuất

5.2.Về lý luận

Làm phong phú thêm cơ sở lý thuyết điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt cho lò hơi

Luận văn có thể làm tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhà nghiên cứu

về điều khiển lò hơi cũng như cho sinh viên và học viên cao học

Phương pháp feedforward động theo nguyên lý cân bằng năng lượng toàn cục có thể mở rộng ứng dụng cho lớp các bài toán điều khiển nhiệt độ ở thiết bị trao đổi nhiệt

5.3.Về thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ được triển khai áp dụng để thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt cho bốn lò hơi cao áp ở NMLD Dung Quất để nâng cao độ tin cậy vận hành, tăng hiệu suất và kéo dài tuổi thọ cho các lò hơi này

Thành công của đề tài sẽ được báo cáo và mở rộng ứng dụng cho một số

lò hơi khác trong các nhà máy hóa chất, nhà máy nhiệt điện thuộc Tập đoàn dầu khí quốc gia Việt Nam

Bộ điều khiển feedforward động theo nguyên lý cân bằng năng lượng toàn cục có thể được áp dụng cho bất kỳ loại lò hơi nào có cấu hình quá nhiệt hai cấp, giảm ôn bằng nước đặt ở giữa hai bộ quá nhiệt

6 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị luận văn gồm các chương sau đây:

Chương 1 Giới thiệu cấu tổng quan về bộ quá nhiệt trong lò hơi; vấn đề điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt; phân tích một số sơ đồ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt thông dụng

Chương 2 Khảo sát hệ thống quá nhiệt để hiểu hơn về hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi cao áp ở Nhà máy lọc dầu Dung Quất

Chương 3 Chương này dành để phân tích các ưu nhược điểm của bộ điều khiển đang có và đề xuất kỹ thuật mới được đặt tên là “feedforward động theo

nguyên lý cân bằng năng lượng toàn cục” nhằm mục đích nâng cao chất lượng của bộ điều khiển

Chương 4 Là chương trọng tâm của luận văn, trong chương này trình bày phương pháp thiết lập các công thức dùng để thiết kế bộ điều khiển feedforward động theo phương pháp cân bằng năng lượng toàn cục

Chương 5 Trình bày các kết quả mô phỏng; so sánh và bình luận chất lượng của bộ điều khiển feedforward động theo nguyên lý CBNL toàn cục với

bộ điều khiển feedforward tĩnh và bộ điều khiển feedforward động thích nghi

Cuối luận văn là phần liệt kê các tài liệu tham khảo được sử dụng trong quá trình nghiên cứu đề tài

7 Tổng quan tài liệu nghiên cứu

Việc điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt trong các lò hơi hiện đại là cực kì quan trọng, phạm vi thay đổi nhiệt độ cho phép nói chung là ± 5oC xung quanh giá trị đặt Nhiệt độ quá cao, quá thấp hoặc biên độ dao động lớn đều ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ an toàn và kinh tế của lò hơi & phụ tải Do vậy vấn đề điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt vẫn mang tính thời sự và được giới chuyên môn tập trung nghiên cứu Sau đây là một số kỹ thuật điều khiển hiện nay trên thế giới

- Kỹ thuật PI feedforward theo cân bằng năng lượng trực tiếp [14]

Bản chất vẫn là bộ điều khiển PI nối tầng kết hợp với feedforward Tuy nhiên sự khác biệt ở đây là tín hiệu feedforward không phải dựa tiếp từ lưu lượng hơi hay nhiên liệu mà là từ bộ tính toán cân bằng năng lượng (DEB –Direct Energy Balance) do đó thời gian đáp ứng của bộ điều khiển ngắn hơn, chất lượng điều khiển nhiệt độ tốt hơn so với phương pháp feedforward truyền thống Phương pháp này được sử dụng phổ biến ở các lò hơi nhiệt điện có cấu hình lò hơi theo tải

- Kỹ thuật hoạch định độ lợi (gain scheduling) [14]

Với kỹ thuật gain scheduling, các tham số Kp, KI của bộ điều khiển PI vòng trong được điều chỉnh phù hợp với mỗi điểm tải của lò hơi, nhờ vậy đã

giải quyết được vấn đề tham số bất định trong mô hình toán hay hàm truyền của

bộ quá nhiệt, do đó chất lượng điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt được cải thiện

Kỹ thuật này được sử dụng trong các lò hơi nhiệt điện do hãng CE & Babcock sản xuất [14]

- Kỹ thuật điều khiển dự báo (GPC)

Các tác giả [21,23,24] đã thiết kế bộ dự báo GCP để điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt cho lò hơi đốt than thông số hơi siêu tới hạn, công suất 1733 t/h của tổ máy 600MW Kết quả mô phỏng với bước nhảy 17% công suất cho thấy

bộ điều khiển GPC có quá điều chỉnh giảm khoảng 90% , thời gian quá độ giảm 50% so với bộ điều khiển PI truyền thống

Kỹ thuật điều khiển dự báo thích nghi được các tác giả trong [24] đề xuất, với phương pháp này bộ điều khiển dự báo GPC và bộ nhận dạng trực tuyến các tham số của mô hình theo phương pháp RLS (recursive least squares) được thay thế cho bộ điều khiển PI vòng ngoài trong sơ đồ nối tầng truyền thống Năm 1991, Moelbak đã triển khai ứng dụng bộ điều khiển này cho lò hơi đốt than ở tổ máy số 2 nhà máy nhiệt điện Skaerbaekvaerket, Đan Mạch Kết quả cho thấy sai lệc nhiệt độ đầu ra nhỏ hơn, van mở trơn hơn so với bộ điều khiển

PI nối tầng truyền thống

- Kỹ thuật Cascade NFGPC kết hợp feedforward [26]

Tư tưởng của kỹ thuật này là thay bộ điều khiển PI vòng ngoài trong sơ

đồ nối tầng có feedforward bằng bộ điều khiển dự báo thích nghi Bộ dự báo thích nghi mờ NFGPC gồm 5 bộ điều khiển GPC cục bộ được thiết kế và tinh chỉnh tại 5 điểm tải cố định cho trước Khi lò hơi làm việc ở phụ tải bất kỳ, tín hiệu lưu lượng hơi đưa về khối logic mờ để chỉnh định bộ trọng số để có tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển NFGCP ( ) ∑ ( ) làm cho sai lệch giữa nhiệt độ hơi đầu ra so với giá trị đặt là nhỏ nhất

Trong [26] các tác giả sử dụng hàm liên thuộc trong logic mờ là hàm tam giác, do vậy tại một thời điểm thì tín hiệu điều khiển u(t) là giá trị nội suy tuyến

tính theo tín hiệu ra của hai bộ điều khiển cục bộ được thiết kế tại hai điểm tải nằm hai bên điểm tải hiện tại, nghĩa là ba trọng số còn lại có giá trị bằng không

Ứng dụng kỹ thuật này để điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt cho lò hơi của nhà máy nhiệt điện 200MW và so sánh với bộ điều khiển nối tầng có feedforward kinh điển thì thấy rằng chỉ tiêu chất lượng điều khiển IAE giảm đến 77% và khi

lò hơi thay đổi tải nhiệt độ hơi thay đổi không vượt quá ±7 o

C

- Kỹ thuật điều khiển mờ lai feedforward [12,21,26]

Tư tưởng của phương pháp này là thay thế bộ điều khiển PI trong sơ đồ PI- feedforward truyền thống bằng bộ điều khiển logic mờ để điều khiển nhiệt

độ hơi quá nhiệt cho lò hơi trực lưu công suất 1048 t/h của tổ máy 440MW Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng kỹ thuật mờ lai feedforward cho chất lượng điều khiển tốt hơn nhiều so với bộ điều khiển PI truyển thống, với các chỉ tiêu chất lượng như độ quá điều chỉnh giảm 75%, thời gian quá độ giảm 88%, IAE giảm 68% [21]

So sánh bộ điều khiển mờ lai với điều khiển mờ thì sai lệch lớn nhất giữa nhiệt độ hơi ra với giá trị đặt của của hai bộ điều khiển này tương ứng là

là 2,56/2,78 oC (vận hành bình thường) và 2.86/11.4 oC (trường hợp sự cố) [12]

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ HƠI QUÁ

NHIỆT TẠI NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT

1.1 Tổng quan về lò hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất

1.1.1 Giới thiệu sơ lược về lò hơi NMLD Dung Quất

Hình 1.1a Photo về lò hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất

Cụm lò hơi tại nhà máy lọc dầu Dung Quất đặt tại phân xưởng phụ trợ nóng U40, cụm boiler được thiết kế với công suất 4x196T/h, áp suất hơi 107 bar, nhiệt độ hơi quá nhiệt 5050C, đốt khí nhiên liệu Lò hơi được sản xuất năm 2008 của hãng Cerrey Mexico, lắp đặt tại Nhà máy lọc dầu Dung Quất,

Quảng Ngãi, Việt Nam Hệ thống điều khiển là DCS (Experion C200) của

Honeywell (đặt tên A-4001A/B/C/D)

Bộ quá nhiệt của lò hơi này gồm hai cấp, chế tạo bằng thép hợp kim

Cr-Mo, giảm ôn bằng nước phun vào vào phía hơi đặt giữa hai cấp

Hình 1.1b Graphic về lò hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất trên DCS

Hình 1.1c Sơ đồ mô tả về BQN lò hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất

1.1.2 Vai trò của lò hơi trong NMLD Dung Quất

Hình1.1d Sơ đồ mạng nhiệt của phân xưởng Nhà máy điện –NMLD Dung Quất

Bốn lò hơi sản sinh ra hơi quá nhiệt ở nhiệt độ 5050C, ở áp suất 107 bar cung cấp lên mạng hơi siêu cao áp (HHP), lượng hơi HHP này sẽ cấp chính cho

04 máy phát STG-A/B/C/D để sản sinh ra điện năng đủ để cung cấp 100% nhu cầu năng lượng điện của toàn nhà máy

Hơi HHP sẽ được cho qua van giảm áp để cung cấp cho phụ tải sử dụng hơi cao áp (HP), hơi HP chủ yếu cung cấp cho các quá trình công nghệ và các máy nén lớn trong nhà máy

Hơi HP sẽ tiếp tục cho qua van giảm áp để chuyển hơi này về mức hơi trung áp (MP) nhằm cấp cho các phụ tải cỡ vừa như tua bin dẫn động bơm, quạt

và một số phụ tại phục vụ các khâu công nghệ sản suất chế biến hydrocacbon

Hơi trung áp sẽ tiếp tục được giảm áp để cấp cho các phụ tải sử dụng ở cấp hạ áp như các bộ gia nhiệt đầu vào quá trình xử lý công nghệ

Do đó lò hơi ở NMLD Dung Quất đóng vai trò cực kỳ quan trong trong việc cung cấp, duy trì ổn định vận hành sản suất của nhà máy lọc dầu

1.2 Cấu tạo, vai trò và nguyên lý làm việc của bộ quá nhiệt

1.2.1 Cấu tạo của bộ quá nhiệt

Bộ quá nhiệt được chế tạo gồm những ống thép hợp kim uốn khúc, có đường kính từ 32-51mm, chiều dày từ 3mm-7mm nối vào hai ống góp chung như trong Hình (b) Bộ giảm ôn gồm có van điều khiển gắn với các đầu phun sương đặt trong ống thép như trong Hình (c)

Hình 1.2 Sơ đồ mô tả về BQN lò hơi nhà máy lọc dầu Dung Quất

Để nhận được hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao (có thể đến 560 o

C), cần phải đặt bộ quá nhiệt ở vùng khói có nhiệt độ cao (trên 700 oC) Khi đó nhiệt độ hơi trong ống và nhiệt độ khói ngoài ống của bộ quá nhiệt đều cao, yêu cầu các ống thép của bộ quá nhiệt phải được làm bằng thép hợp kim Kích thước bộ quá

nhiệt phụ thuộc vào công suất lò hơi và nhiệt độ hơi quá nhiệt Để có nhiệt độ hơi quá nhiệt đầu ra như mong muốn, một thiết bị dùng để giảm nhiệt độ hơi quá nhiệt trước khi vào bộ quá nhiệt cấp hai được đặt giữa hai bộ quá nhiệt, thiết

bị đó gọi là bộ giảm ôn như trong Hình 1.2

 Về cấu tạo, có thể chia thành 3 loại:

+ Bộ quá nhiệt đối lưu: Bộ quá nhiệt đối lưu nhận nhiệt chủ yếu bằng đối

lưu của dòng khói, đặt trên đoạn đường khói nằm ngang phía sau cụm pheston

Bộ quá nhiệt đối lưu dùng cho các lò hơi có nhiệt độ hơi quá nhiệt không vượt quá 510 oC

+ Bộ quá nhiệt nửa bức xạ: Bộ quá nhiệt nửa bức xạ nhận nhiệt cả bức xạ

từ ngọn lửa lẫn đối lưu từ khói, được đặt ở cửa ra buồng lửa, phía trước cụm pheston và thường được dùng ở những lò có nhiệt độ hơi quá nhiệt khoảng 530-

560 oC

+ Bộ quá nhiệt bức xạ: Bộ quá nhiệt bức xạ nhận nhiệt chủ yếu bằng bức

xạ trực tiếp của ngọn lửa, được đặt ngay trong buồng lửa xen kẽ với dàn ống sinh hơi của hai tường bên Đối với những lò có thông số siêu cao, nhiệt độ hơi trên 560 oC thì tỷ lệ nhiệt lượng dùng để quá nhiệt hơi rất lớn, nhất là lò có quá nhiệt trung gian hơi, khiến cho kích thước bộ quá nhiệt rất lớn Vì vậy phải đặt một phần bộ quá nhiệt vào trong buồng lửa để hấp thu nhiệt bức xạ nhằm giảm bớt kích thước bộ quá nhiệt

1.2.2 Chức năng của bộ quá nhiệt

Bộ quá nhiệt là bộ phận để sấy khô hơi, biến hơi bão hòa từ bao hơi thành hơi quá nhiệt trước khi đưa đến tuabin và các hộ sử dụng nhiệt như trong Hình 1.2 Hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao hơn, do đó nhiệt lượng tích lũy trong một đơn

vị khối lượng hơi quá nhiệt cao hơn nhiều so với hơi bão hòa ở cùng áp suất Bởi vậy khi công suất máy giống nhau nếu dùng hơi quá nhiệt thì kích thước máy sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với máy dùng hơi bão hòa, hiệu suất nhiệt cao hơn,

độ ẩm ở các tầng cuối tuabin và tổn thất nhiệt và nước do hơi ngưng dọc theo đường ống giảm

1.2.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống quá nhiệt

Nguyên lý hoạt động của hệ thống quá nhiệt hơi được mô tả như trong Hình 1.2a Khói đi ra từ buồng đốt có nhiệt độ khoảng 1000-1400 oC bao quanh bên ngoài chùm ống của bộ quá nhiệt, tỏa nhiệt (bức xạ & đối lưu) cho hơi đi trong ống, gia nhiệt cho hơi bão hòa có nhiệt độ khoảng 316 oC từ bao hơi thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ 410-430 o

C ở đầu ra bộ quá nhiệt cấp một Hơi sau khi qua bộ giảm ôn có nhiệt độ giảm xuống khoảng 380-395 oC tiếp tục đi vào bộ quá nhiệt cấp hai và được gia nhiệt để có nhiệt độ cao hơn Bộ điều khiển nhiệt

độ hơi đưa tín hiệu điện 4-20 mA điều chỉnh độ mở của van phun, thay đổi lưu lượng nước vào bộ giảm ôn nhằm duy trì nhiệt độ hơi ra khỏi bộ quá nhiệt cấp hai khoảng 505 oC

1.3 Ý nghĩa của việc điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt

Việc điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt trong các lò hơi hiện đại là cực kì quan trọng, phạm vi thay đổi nhiệt độ cho phép nói chung là ± 5 oC xung quanh giá trị đặt Nhiệt độ quá cao, quá thấp hoặc biên độ dao động lớn đều ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ an toàn và kinh tế của lò hơi & tuabin cũng như các thiết bị

sử dụng hơi quá nhiệt khác

Nhiệt độ hơi quá cao, nếu cao hơn nhiệt độ làm việc cho phép của các

phần tử lò hơi và tuabin (bộ quá nhiệt, ống dẫn hơi, van, vòi phun và cánh tuabin) đều làm cho vật liệu nhanh bị phá hủy, giảm tuổi thọ thiết bị Quan hệ giữ nhiệt độ làm việc T với thời gian vận hành đến khi phá hủy vật liệu 𝛕 của thép Cr-Mo theo công thức Larson-Milele [5] là: T(23+lg𝛕) = const Ví dụ: nhiệt độ làm việc của ống quá nhiệt được thiết kế là 510 oC, thời gian làm việc 2.105 giờ (22,8 năm), nếu vận hành lâu dài ở nhiệt độ 525 oC thì tuổi thọ thực tế của thiết bị tính theo công thức trên là 58756 giờ (6,71 năm) Nếu quá nhiệt nghiêm trong có thể làm chi tiết bị phá hủy

Bộ quá nhiệt của lò hơi thường được ghép từ nhiều cấp, ống của các cấp được làm từ các loại vật liệu khác nhau và do đó nhiệt độ làm việc cho phép

khác nhau Do vậy, để đảm bảo an toàn cho kim loại, nhiệt độ hơi ra khỏi mỗi cấp quá nhiệt đều có giới hạn

Hình 1.3 Ống quá nhiệt của lò hơi ở NMLD bị nổ do nhiệt độ cao

Khi nhiệt độ hơi quá nhiệt thấp sẽ làm giảm hiệu suất của tuabin Với

các tổ máy thông số gần hoặc trên tới hạn, khi nhiệt độ hơi quá nhiệt giảm 10 o

C, hiệu suất tuabin giảm khoảng 0,3% [5,14]

Khi nhiệt độ hơi rất thấp, không những làm cho độ ẩm của hơi ở các tầng cuối tuabin tăng mà còn gây xâm thực cánh tầng cuối của tuabin ,

Vì vậy trong vận hành quy định nhiệt độ hơi không được thấp hơn một giá trị quy định, nếu không tuabin phải giảm tải hoặc dừng khẩn cấp

Nhiệt độ hơi quá nhiệt đột ngột tăng hay giảm đều làm cho các phần hàn

nối, các mối ghép của các bề mặt đốt trong lò chịu các ứng suất nhiệt rất lớn và

có thể bị phá hỏng Ngoài ra có thể gây ra hiện tượng dãn nở không đồng đều giữa roto và thân tuabin, nghiêm trọng có thể gây cọ xát giữa phần tĩnh và phần động của tuabin, tạo ra rung động mạnh, hệ thống bảo vệ tuabin tác động dừng khẩn cấp tuabin, mất điện, do đó phải dừng toàn nhà máy, đối với nhà máy lọc dầu thì thiệt hại kinh tế cho một lần khởi động lại lên đến hàng chục triệu USD

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến động học quá trình điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt

Tính chất động học của hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt là phi tuyến, có thời gian trễ lớn, bất định và phụ thuộc vào nhiễu loạn của tải lò [16,17] Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ hơi quá nhiệt: phụ tải lò, nhiệt

độ nước cấp, vị trí ngọn lửa trong buồng đốt, độ ẩm của hơi bão hòa, tốc độ thay đổi tải, bám bẩn trên bề mặt truyền nhiệt, hệ số không khí thừa

Với bộ quá nhiệt đối lưu, khi tải lò tăng thì lượng nhiên liệu, khói, nhiệt

độ khói và tốc độ khói cùng tăng, cho nên hệ số truyền nhiệt và độ chênh lệch nhiệt độ giữa khói và hơi đều tăng dẫn đến nhiệt năng truyền đến bộ quá nhiệt

do đối lưu tăng nhiều hơn tỉ lệ gia tăng lưu lượng hơi Như vậy nhiệt độ hơi ra khỏi bộ quá nhiệt đối lưu tăng theo tải lò

Với bộ quá nhiệt nữa bức xạ thì tổng lượng nhiệt truyền đến bộ quá nhiệt bằng bức xạ và đối lưu được thiết kế sao cho tỉ lệ gia tăng nhiệt lượng nhiều hơn

tỉ lệ gia tăng lưu lượng hơi để có nhiệt độ hơi quá nhiệt đầu ra tăng theo phụ tải

lò

Đặc tính nhiệt độ hơi của các bộ quá nhiệt theo tải lò như trong đồ thị Hình 1.4.1

Hình 1.4.1 Quan hệ giữa nhiệt độ hơi và tải lò

1.4.2 Ảnh hưởng của tốc độ thay đổi tải lò

Khi phụ tải thay đổi quá nhanh sẽ làm cho nhiệt độ hơi quá nhiệt dao động mạnh như trong Hình 1.4.2, đây là sự tăng nhiệt độ quá mức xảy ra do quá trình quá độ nhiệt có quán tính lớn xảy ra

Hình 1.4.2 Ảnh hưởng của tốc độ thay đổi tải lò đến nhiệt độ hơi quá nhiệt

Gọi T i là nhiệt độ hơi vào, m h là lưu lượng hơi đi qua bộ quá nhiệt, To là nhiệt độ hơi ra, Cp là nhiệt dung riêng trung bình của hơi trong ống quá nhiệt

(thay đổi không đáng kể), Q h là nhiệt lượng mà hơi nhận được từ khói lò thì ta

có quan hệ:

(1.4.2)

Có 3 tình huống thường xảy ra là:

 Tăng tải lò tức là tăng không khí và nhiên liệu trước, do vậy nhiệt

lượng bộ quá nhiệt nhận được từ khói tăng (Q h), nhưng do quán tính nên sự tăng

lưu lượng hơi đi qua bộ quá nhiệt (m h ) xảy ra chậm hơn và trễ sau quá trình tăng nhiệt, do đó tỉ số tăng quá mức trong giai đoạn quá độ này nên dẫn đến nhiệt độ hơi quá nhiệt tăng quá giới hạn cho phép

 Áp suất trên đường ống hơi chung giảm do có một lò nào đó bị sự

cố, lúc này chênh lệch áp suất giữa bao hơi với ống hơi chung tăng, dẫn đến lưu lượng hơi √ tăng ngay lập tức (do quán tính nhiệt của lò hơi lớn) trong khi không khí và nhiên liệu chưa kịp tăng, tức là Q h không đổi mà m h lại tăng Tình huống này ta cũng có tỉ số giảm, nên nhiệt độ hơi ra giảm

 Giảm tải lò thì tình hình ngược lại, do nhiệt Q h giảm nhanh sau khi giảm nhiên liệu và không khí, trong khi đó do quán tính nhiệt nên tốc độ giảm lưu lượng hơi diễn ra chậm hơn, kết quả là trong thời gian quá độ này tỉ số giảm, do đó nhiệt độ hơi ra giảm

1.4.3 Ảnh hưởng của bám bẩn bề mặt trao đổi nhiệt

Sự bám bẩn bề mặt dàn ống lò và bộ quá nhiệt ảnh hưởng nhiều đến nhiệt

độ hơi quá nhiệt Nếu bám bẩn xảy ra ở dàn ống trong buồng đốt (đối với lò hơi đốt than là đóng xỉ), nhiệt dàn ống trong buồng đốt nhận được và lượng hơi sinh

ra đều giảm Nếu bám bẩn xảy ra ở mặt ngoài bộ quá nhiệt, lượng nhiệt từ khói

lò truyền đến hơi giảm, nhiệt độ hơi quá nhiệt giảm

1.4.4 Ảnh hưởng của vị trí ngọn lửa trong buồng đốt

Khi vị trí ngọn lửa trong buồng đốt dịch chuyển lên trên, nhiệt độ khói ra khỏi buồng đốt tăng, lượng nhiệt hấp thụ của bộ quá nhiệt bức xạ và bộ quá nhiệt đối lưu tăng Ngoài ra, do trung tâm ngọn lửa dịch lên, diện tích hữu hiệu tham gia trao đổi nhiệt bức xạ giảm, lượng hơi qua bộ quá nhiệt giảm, mà lượng nhiệt cấp cho bộ quá nhiệt lại tăng nên nhiệt độ hơi quá nhiệt tăng

Các yếu tố ảnh hưởng đến vị trí của ngọn lửa trong buồng đốt là: chất lượng nhiên liệu (thành phần, độ tro, nhiệt trị, độ mịn, độ ẩm) và phương thức khởi động, dừng vòi đốt

1.4.5 Ảnh hưởng của áp suất nước giảm ôn

Đối với hệ thống giảm ôn kiểu phun, nước giảm ôn thường được lấy từ hệ thống nước cấp khi áp suất hệ thống nước cấp tăng, tuy độ mở của van phun chưa thay đổi nhưng lưu lượng nước phun vào bộ giảm ôn đã tăng, làm cho nhiệt độ hơi giảm Trong trường hợp áp suất hệ thống nước cấp giảm thì ngược lại, nhiệt độ hơi quá nhiệt tăng

1.4.6 Ảnh hưởng của độ ẩm hơi bão hòa

Hơi bão hòa ra khỏi bao hơi còn chứa các hạt ẩm, trong chế độ làm việc bình thường, độ ẩm là cho phép Như khi ở chế độ không ổn định, ví dụ như lò đột ngột tăng tải, mức nước bao hơi tăng, phát sinh hiện tượng sôi bồng, độ ẩm hơi bão hòa sẽ rất lớn Do độ ẩm của hơi bão hòa cao sẽ nhận nhiệt, hóa hơi trong bộ quá nhiệt, nên nhiệt độ hơi quá nhiệt giảm

1.4.7 Ảnh hưởng của hệ số không khí thừa

Dựa vào đặc tính nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi như trong Hình 1.4.1, khi lượng O2 trong buồng đốt tăng lên, tức là lượng khói trong buồng đốt tăng, nhiệt độ khói ra khỏi buồng đốt cơ bản không đổi, nhiệt độ cháy lý thuyết giảm, nhiệt bức

xạ quy dẫn trong buồng đốt giảm Khi xảy ra các thay đổi này, dù là bộ quá nhiệt đối lưu hay bộ quá nhiệt bức xạ, entanpi của hơi đều tăng do đó nhiệt độ hơi quá nhiệt tăng Đối với bộ quá nhiệt kiểu bức xạ, nhiệt bức xạ quy dẫn trong buồng đốt giảm, làm cho năng suất sinh hơi dàn ống lò giảm, lưu lượng hơi qua bộ quá nhiệt

giảm Tuy nhiệt độ khói trung bình giảm, nhưng đối với nhiệt trao đổi bức xạ của các rèm về cơ bản không giảm, nên nhiệt độ hơi quá nhiệt tăng Đối với bộ quá nhiệt đối lưu, sự tăng entanpi của hơi là do sự tăng của lưu lượng khói làm cho hệ

số tỏa nhiệt phía khói tăng

1.5 Nguyên lý điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt

Có ba phương pháp điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt là: điều chỉnh nhiệt

độ phía khói, điều chỉnh nhiệt độ phía hơi và kết hợp điều chỉnh nhiệt độ hơi cả

về phía hơi và phía khói, các phương pháp này được trình bày chi tiết trong tài liệu [15]

Hình 1.5 (a) Sơ đồ mô tả BQN lò hơi, (b) sơ đồ khối mô tả điều khiển

Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau: Khói đi ra từ buồng đốt có nhiệt độ khoảng 1000-1400 oC bao quanh bên ngoài chùm ống của bộ quá nhiệt,

tỏa nhiệt (bức xạ & đối lưu) cho hơi đi trong ống, biến hơi bão hòa có nhiệt độ khoảng 316 oC từ bao hơi thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ 410-430 oC ở đầu ra

bộ quá nhiệt cấp một Hơi sau khi qua bộ giảm ôn tiếp tục đi vào bộ quá nhiệt cấp hai và được gia nhiệt để có nhiệt độ cao hơn Bộ điều khiển nhiệt độ hơi đưa tín hiệu điện 4-20 mA điều chỉnh độ mở của van phun, thay đổi lưu lượng nước vào bộ giảm ôn để duy trì nhiệt độ hơi ra khỏi bộ quá nhiệt cấp hai đạt giá trị 505 oC

1.6 Kết luận chương 1

Vấn đề điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt có ý nghĩa rất lớn về mặt kinh tế

- kỹ thuật và an toàn vận hành lò hơi trong các nhà máy nhiệt điện, nhà máy lọc dầu và các nhà máy hóa chất Bên cạnh nhiễu tải còn có nhiều yếu tố ảnh hưởng trược tiếp đến động học quá trình điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt như đã phân tích ở các mục trên Do vậy, việc nâng cao chất lượng điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt đang là vấn đề thời sự thu hút sự tập trung nghiên cứu của các hãng sản suất lò hơi và các nhà nghiên cứu trên thế giới trong những năm gần đây Có nhiều kỹ thuật mới dự trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại như điều khiển dự báo, điều khiển trượt, điều khiển mờ và điều khiển nơ-ron đã chứng tỏ khả năng cải thiện chất lượng điều khiển vượt trội so với phương pháp truyền thống (PI kết hợp feedforward) Tuy nhiên về mặt áp dụng thì các kỹ thuật này còn nhiều hạn chế vì thuật toán điều khiển phức tạp, không thể thiết kế bộ điều khiển trực tiếp trên hệ thống DCS/PCS đã có sẵn mà phải viết phần mềm riêng và lắp đặt thêm server

Trong chương tiếp theo sẽ khảo sát, phân tích ưu nhược điểm của bộ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt của các lò hơi siêu cao áp ở phân xưởng Nhiệt-Điện, nhà máy lọc dầu Dung Quất

CHƯƠNG 2

KHẢO SÁT HỆ THỐNG BỘ QUÁ NHIỆT LÒ HƠI SIÊU CAO ÁP TẠI

NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT 2.1 Mô hình bộ quá nhiệt

Theo tác giả ở [7], kết quả nghiên cứu đánh giá chất lượng bộ điều khiển phụ thuộc rất lớn vào sự phù hợp của mô hình toán học mô tả bộ quá nhiệt thật Tính chất động học của hệ thống quá nhiệt hơi là phi tuyến, thời gian trễ lớn, bất định và phụ thuộc vào nhiễu động của phụ tải lò hơi [19,22] Mô hình vật lý của đối tượng là mô hình tham số phân tán, nên trong mô hình toán xuất hiện phương trình vi phân đạo hàm riêng, do đó gặp khó khăn khi mô phỏng trên Matlab/Simulink Do vậy, thực tế các công trình nghiên cứu về điều khiển nhiệt

độ hơi quá nhiệt hiện nay đều xem mô hình bộ quá nhiệt là mô hình tham số tập trung [13,20], do vậy kết quả mô phỏng không phản ánh đúng tính chất động học của đối tượng Để khắc phục nhược điểm này, phương pháp thể tích hữu hạn (FVM) được các tác giả trong [19,22] sử dụng để mô hình hóa bộ quá nhiệt Tuy nhiên phương pháp số FVM lại có thuật toán phức tạp, khó tiếp cận

Theo [7], tác giả đề xuất một mô hình toán học mới để mô hình hóa hệ thống quá nhiệt của lò hơi Ý tưởng của phương pháp này là đưa ra một số giả thiết hợp lý để chuyển phương trình vi phân đạo hàm riêng 3D thành phương trình 2D Nhờ đó việc giải phương trình vi phân đạo hàm riêng trở nên dễ dàng nhờ phương pháp toán tử Laplace Sau đó biểu diễn nghiệm của phương trình vi phân đạo hàm riêng trên miền hỗn hợp thời gian và tần số, nên không cần biến đổi Laplace ngược hoàn toàn nghiệm của phương trình vi phân, vốn là vấn đề khó khăn nhất trong phương pháp toán tử Laplace [3]

2.1.1 Một số giả thiết

Việc thành lập mô hình toán của bộ quá nhiệt được dựa trên một số giả thiết như sau:

- Áp suất hơi vào bằng áp suất hơi ra khỏi bộ quá nhiệt và không thay đổi theo thời gian Thực tế chênh lệch áp suất vào ra chỉ khoảng 3% [8] và lò hơi làm việc ở chế độ điều khiển giữ áp suất hơi ra không đổi

- Nhiệt độ Tp trên thành ống quá nhiệt phân bố đồng đều theo phương hướng kính (

) Theo [2], khi giá trị của tiêu chuẩn Biot α có thể xem nhiệt độ mặt trong và mặt ngoài thành ống khác nhau rất ít, tức là

, thực tế α Với α là hệ số tỏa nhiệt từ khói đến mặt ngoài của thành ống, chiều dày của thành ống và là hệ số dẫn nhiệt của thành ống

- Hiệu quả trao đổi nhiệt của các ống trong bộ quá nhiệt là như nhau

- Bỏ qua tổn thất áp suất dòng khói qua bộ quá nhiệt Thực tế tổn thất áp suất này chỉ khoảng 71 mm H2O tại 100% công suất lò [8]

- Nước phun vào bộ giảm ôn hóa hơi ngay lập tức và hòa trộn đều với dòng hơi Theo [27] thì thời gian các giọt nước bốc hơi hoàn toàn là dưới 1 giây

2.1.2 Mô hình toán bộ quá nhiệt [7]

Hình 2.1 Mô tả quá trình truyền nhiệt trong bộ quá nhiệt

Phương trình cân bằng (PTCB) nhiệt cho dòng hơi qua bộ quá nhiệt: ( ) (2.1) Trong đó: - thể tích chứa hơi của bộ quá nhiệt; , , tương ứng là khối lượng riêng trung bình, nhiệt dung riêng đẳng áp trung bình, nhiệt độ trung bình của hơi trong ống QN; - lưu lượng hơi qua bộ QN; - enthalpy hơi vào, - enthalpy hơi ra khỏi bộ QN; -nhiệt lượng dòng hơi nhận được

Enthalpy ( ) tìm được nhờ tra bảng, sử dụng khối hàm 2-D lookup table trong Matlab Simulink

PTCB nhiệt cho khối lượng kim loại của bộ quá nhiệt:

(2.2) Trong đó: - khối lượng bộ QN, -nhiệt dung riêng trung bình của thép, - nhiệt độ trung bình của thành ống, -nhiệt lượng bộ QN nhận được

từ khói

PTCB nhiệt cho khói qua bộ quá nhiệt:

*

( )+ (2.3) Trong đó: - thể tích chứa khói của bộ QN, tương ứng là khối lượng riêng trung bình, nhiệt dung riêng đẳng áp trung bình, nhiệt độ trung bình của khói; - lưu lượng khói, - nhiệt độ khói vào, - nhiệt độ khói ra

Phương trình truyền nhiệt từ mặt trong ống đến hơi [7]:

( ) (2.4) Trong đó: - diện tích trao đổi nhiệt phía hơi, - hệ số tỏa nhiệt đối lưu phía hơi, công thức tính có thể tham khảo trong các tài liệu [2,4,6,29]

Phương trình truyền nhiệt từ khói đến mặt ngoài ống [7]:

( ) (2.5) Trong đó: - diện tích trao đổi nhiệt phía khói, - hệ số tỏa nhiệt (đối lưu và bức xạ) phía khói Công thức và phương pháp tính có thể tham khảo trong tài liệu [2,4,6,22]

Trong các phương trình trên thì và là nhiệt độ trung bình của khói và hơi dọc theo chiều dài ống Do vậy ta cần thêm hai phương trình nữa để có nhiệt

độ khói ( ) và nhiệt độ hơi ( ) ra khỏi bộ quá nhiệt

Hình 2.2 Mô hình dòng hơi đi trong ống quá nhiệt

PTCB nhiệt cho hơi đi trong một ống quá nhiệt:

( ) ( )

( ( )) (2.6) Với , – là bán kính trong của ống, -vận tốc hơi chuyển động trong ống

Phương trình cân bằng nhiệt cho khói đi ngoài chùm ống của bộ quá nhiệt:

( )

( )

( ( )) (2.7) Với

( ) chính là số lượng ống trung bình nằm trong tiết diện khói ( ), n là tổng số ống, – là bán kính ngoài của ống,

- vận tốc khói chuyển động ngoài ống, - chiều dài ống, - chiều dài bộ quá nhiệt, r- bán kính uốn cong ống

Giải phương trình vi phân đạo hàm riêng (2.6) và (2.7) theo phương pháp

toán tử Laplace [3] với điều kiện ban đầu được chọn là T(x,0) = 0; điều kiện biên T(0,t) = T i ,T(L,t) = T o

Lấy ảnh Laplace cả hai vế của phương trình (2.6) hoặc (2.7), ta có phương trình toán tử:

( ) ( ) ( ) ( ) (2.9) Phương trình (2.9) có dạng: ( ) ( ), nên có nghiệm tổng quát là:

∫ ( ) (∫ ( ) ∫ ( ) ) (2.10)

Thay ( ) ( ) ( ) ( ) vào (10), biến đổi và sắp xếp

lại các số hạng, cuối cùng ta thu được:

( ) ( )

( ( ) ( )) (2.11) Trong đó: là thời gian hơi đi qua ống quá nhiệt

( ) ( )

( ( ) ( )) (2.12) Trong đó:

là thời gian khói đi qua bộ quá nhiệt

2.1.3 Mô hình toán bộ cấp nước giảm ôn

Hình 2.3 Mô hình bộ giảm ôn

Theo tác giả ở [7] ta có:

Phương trình cân bằng khối lượng dòng hơi qua bộ giảm ôn:

(2.13) Trong đó: tương ứng là lưu lượng hơi vào, lưu lượng nước giảm ôn, lưu lượng hơi ra khỏi bộ giảm ôn

PTCB nhiệt cho dòng hỗn hợp hơi và nước trong bộ giảm ôn:

(2.14) Trong đó: tương ứng là enthalpy hơi vào, enthalpy nước giảm

ôn, enthalpy hơi ra; - thể tích chứa hơi của bộ QN; tương ứng là khối lượng riêng trung bình, nhiệt dung riêng trung bình, nhiệt độ trung bình của hơi trong bộ giảm ôn; - nhiệt làm biến thiên nội năng của bộ giảm ôn

PTCB nhiệt cho khối lượng kim loại của bộ giảm ôn:

(2.15)

Trong đó: lần lượt là khối lượng, nhiệt dung riêng và nhiệt độ của bộ giảm ôn

Phương trình truyền nhiệt từ hơi đến mặt trong của bộ giảm ôn:

( ) (2.16) Trong đó: - diện tích mặt trong của giảm ôn, - hệ số tỏa nhiệt từ hơi đến bộ giảm ôn

2.2 Mô phỏng quá trình cháy và sinh hơi trong lò hơi

Đặc tính nhiệt động của dòng trong bộ quá nhiệt phụ thuộc rất lớn vào quá trình cháy của nhiên liệu và quá trình sinh hơi trong lò hơi Vì vậy trong mô hình của đối tượng cần đưa thêm khâu sinh hơi và khói, hai khâu này được xác định dưới dạng hàm truyền bằng phương pháp thực nghiệm chủ động như trong [1] trên lò hơi A4001A đốt khí nhiên liệu [7] Kết quả thu được hàm truyền quá trình cháy (tạo khói) theo air:

19

5,33)(





s s





s s

146

44,54)

4 , 68

(2.20) Trong đó Ph là áp suất trong bao hơi được tính bằng đơn vị [kg/cm2g]

Sơ đồ mô phỏng quá trình cháy và sinh hơi trong lò hơi như trong Hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ mô phỏng quá trình cháy và sinh hơi trong lò hơi

2.3 Kết quả thực nghiệm trên lò hơi A4001A [7], [9]

2.3.1 Phương pháp thực nghiệm và thu thập dữ liệu

Để kiểm định sự phù hợp của các mô hình toán của hệ thống quá nhiệt hơi so với đối tượng thật, theo tác giả ở [7] đã tiến hành thực nghiệm trên lò hơi siêu cao áp A-4001A ở Nhà máy lọc dầu Dung Quất Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi này như trong Hình 2.5

Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi A-4001A