Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
NGUYỄN THỊ NAM THẮNG
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT
BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 60520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2014
Chương 2: Mô tả toán học phần điều khiển ổn định áp suất của mô hình
lò hơi ở Trung tâm thí nghiệm – Trường ĐHKTCN Thái Nguyên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
3
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển và ổn định áp suất
của bao hơi
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển mờ lai để cải thiện chất lượng điều
khiển và ổn định áp suất của bao hơi
Kết luận và kiến nghị
khí dầu mỏ được sử dụng để tạo nhiệt năng cho các nhà máy nhiệt điện. Hiện
nay có hai loại hình nhà máy nhiệt điện cơ bản là:
- Nhà máy nhiệt điện tuabin hơi;
- Nhà máy nhiệt điện tuabin khí.
+ Nhà máy nhiệt điện tuabin hơi:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
5
Với nhà nhà máy nhiệt điện tuabin hơi thì các nhiên liệu hữu cơ chủ yếu
là than bột được đốt trong lò hơi tạo nhiệt làm hóa hơi nước trong các giàn ống
sinh hơi, hơi sinh ra được vận chuyển qua các hệ thống phân ly, quá nhiệt… để
đảm bảo nhiệt độ, áp suất, lưu lượng cần thiết cho việc sinh công tốt nhất phù
hợp với yêu cầu kĩ thuật và công suất thiết kế. Sau đó hơi (bão hòa) được đưa
vào các tầng cánh tuabin để sinh công tạo mômen quay hệ thống máy phát được
nối đồng trục với tuabin. Sau khi qua tuabin hơi nước được thu hồi tuần hoàn
lại.
+ Nhà máy nhiệt điện tuabin khí:
Ở nhà máy nhiệt điện tuabin khí thì không khí ngoài trời sau khi được làm
sạch, loại bỏ hơi nước được hệ thống ống dẫn đưa vào một máy nén khí để nâng
áp suất của khí lên. Khí có áp suất cao được đưa vào buồng đốt và được đốt với
nhiên liệu (thường là khí gas). Chất khí sau khi đốt có nhiệt độ và áp suất cao
được đưa vào các tầng tuabin khí để sinh công. Tuabin quay làm quay máy phát
điện và ở đầu cực của máy phát ta cũng thu được năng lượng dưới dạng điện
năng.
1.1.1. Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện
Nguyên lý sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện là chuyển hoá nhiệt năng
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. Nhiệt năng được
dẫn đến tuabin qua môi trường dẫn nhiệt là hơi nước. Hơi nước chỉ là môi
áp của tuabin đến nhiệt độ 230
o
C. Sau khi được gia nhiệt ở gia nhiệt cao áp,
nước được đưa qua bộ hâm nước ở đuôi lò trước khi đi vào bao hơi.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
7
Nước ở bình bao hơi theo vòng tuần hoàn tự nhiên chảy xuống các giàn
ống sinh hơi, nhận nhiệt năng từ buồng đốt của lò biến thành hơi nước và trở về
bình bao hơi. Trong bình bao hơi phần trên là hơi bão hòa ẩm, phía dưới là nước
ngưng. Hơi bão hòa trong bình bao hơi không được đưa ngay vào tuabin mà
được đưa qua các bộ quá nhiệt( bộ sấy hơi) và các bộ làm mát( bộ phun giảm
ôn). Hơi sau khi đảm bảo chất lượng được đưa sang quay tuabin. Sau khi sinh
công ở các tầng cánh tuabin hơi nước được ngưng tụ tại bình ngưng. Công do
tuabin sinh ra làm quay máy phát điện. Như vậy, nhiệt năng của nhiên liệu đã
biến đổi thành cơ năng rồi biến đổi tiếp thành điện năng, còn hơi nước là môi
chất trung gian được biến đổi theo một vòng tuần hoàn kín.
Hình1.2: Sơ đồ chu trình nhiệt của một tổ máy
1. 2. Lò hơi nhà máy nhiệt điện
1.2.1. Vai trò của lò hơi trong nhà máy nhiệt điện
Trong nhà máy nhiệt điện, lò hơi sản xuất ra hơi để làm quay tua bin,
phục vụ cho việc sản xuất điện năng, đòi hỏi phải có công suất lớn, hơi là hơi
quá nhiệt có áp suất và nhiệt độ cao. Nhiên liệu đốt trong lò hơi có thể là nhiên
liệu rắn như than hoặc có thể là nhiên liệu lỏng như dầu nặng (FO), dầu diezen
(DO) hoặc nhiên liệu khí.
1.2.2. Nguyên lý làm việc của lò hơi trong nhà máy nhiệt điện
Trong các lò hơi nhà máy nhiệt điện, hơi được sản xuất ra là hơi quá
nhiệt. Hơi quá nhiệt nhận được nhờ các quá trình: đun nóng nước đến sôi, sôi để
Hình1.3: Nguyên lý cấu tạo của lò hơi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
9
Ở đây, ống sinh hơi số 3 đặt phía trong tường lò nên môi chất trong ống
nhận nhiệt và sinh hơi liên tục do đó trong ống sinh hơi 3 là hỗn hợp hơi và
nước, còn ống xuống 4 đặt ngoài tường lò nên môi chất trong ống 4 không nhận
nhiệt do đó trong ống 4 là nước. Khối lượng riêng của hỗn hợp là hơi và nước
trong ống 3 nhỏ hơn khối lượng riêng của nước xuống ống 4nên hỗn hợp trong
ống 3 đi lên, còn nước trong ống 4 đi xuống liên tục tạo nên quá trình tuần hoàn
tự nhiên.
Buồng lửa trên hình 1.3 là buồng lửa phun, nhiên liệu được phun vào và
cháy lơ lửng trong buồng lửa. Quá trình cháy nhiên liệu sảy ra trong buồng lửa
và đạt đến nhiệt độ rất cao, từ 1300
0
C – 1900
0
C, chính vì vậy hiệu quả trao đổi
nhiệt bức xạ giữa ngọn lửa và giàn ống sinh hơi rất cao và lượng nhiệt dàn ống
sinh hơi thu được từ ngọn lửa chủ yếu là do tra đổi nhiệt bức xạ. Để hấp thụ có
hiệu quả nhiệt lượng bức xạ của ngọn lửa đồng thời bảo vệ tường lò khỏi tác
dụng của nhiệt độ cao và những ảnh hưởng xấu của tro nóng chảy, người ta bố
(M
pa
), t
qn
(
0
C).
+ Sản lượng hơi của lò:
Sản lượng hơi của lò là lượng hơi mà lò sản xuất ra được trong một đơn vị
thời gian (Kg/h hoặc Tấn/h). Thường dùng 3 khái niệm sản lượng:
- Sản lượng hơi định mức (D
đm
): là sản lượng hơi lớn nhất lò có thể đạt
được, đảm bảo vận hành trong thời gian lâu dài, ổn định với các thông số hơi đã
cho mà không phá hủy hoặc gây ảnh hưởng xấu đến chế độ làm việc của lò.
- Sản lượng hơi cực đại (D
max
): là sản lượng lớn nhất lò có thể đạt được,
nhưng chỉ trong một thời gian ngắn, nghĩa là lò không thể làm việc lâu dài với
sản lượng hơi cực đại được. Sản lượng hơi cực đại bằng:
D
max
= (1,1 – 1,2) D
đm
(2-1)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
11
’
hn
là entanpi của nước đi vào bộ hâm nước (Kj/kg)
B là lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giờ (kg/h)
Q
t
lv
là nhiệt trị thấp làm việc của nhiên liệu (Kj/h)
+ Nhiệt thể tích của buồng lửa:
Nhiệt thể tích của buồng lửa là nhiệt lượng sinh ra trong một đơn vị thời
gian trên một đơn vị thể tích của buồng lửa:
3
(W / )
lv
t
bl
BQ
v
V
qm
(2-4)
Trong đó:
V
bl
: thể tích buồng lửa (m
3
), B(kg/s)
Đối với các lò mhỏ hơn người ta còn chú ý đến các đặc tính sau đây
+ Nhiệt thể diện tích trên ghi:
H: diện tích bề mặt sinh hơi(bề mặt đốt) (m
2
)
1.2.4. Các hệ thống điều khiển lò hơi nhà máy nhiệt điện
Vận hành lò hơi là một công việc thao tác điều khiển phức tạp. Quá trình
vận hành lò hơi không tách khỏi quá trình vận hành chung toàn nhà máy. Mỗi
một sự thay đổi của một khâu nào đó trong nhà máy đều dẫn đến sự thay đổi chế
độ vận hành của lò hơi và đòi hỏi các thao tác điều khiển lò tương ứng.
Nhiệm vụ của công tác vận hành lò hơi là đảm bảo sao cho lò hơi làm
việc ở trạng thái kinh tế nhất, an toàn nhất trong một thời gian lâu dài. Cụ thể
không những trong quá trình vận hành lò hơi không để xảy ra sự cố mà còn phải
bảo đảm lò làm việc có hiệu suất cao nhất và tương ứng là lượng than tiêu hao
để sản xuất 1kg hơi 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 bình
bao hơi, hệ số không 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 một phạm vi giới hạn cho phép tương đối nghiêm khắc.
1.2.4.1. Lò hơi là một đối tượng điều khiển
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
13
Đầu ra của hệ thống điều khiển lò hơi là điện năng, được cung cấp lên
lưới điện tiêu thụ quốc gia. Chính vì vậy, giá trị công suất phát của nhà máy điện
thay đổi tùy thuộc nhu cầu sử dụng điện. Giá trị công suất công suất này được
yêu cầu từ trung tâm điều độ quốc gia. Đối với hệ thống điều khiển lò hơi, công
suất điện phát ra phụ thuộc vào lưu lượng hơi đưa đến tuabin của máy phát, lưu
lượng hơi dẫn vào tuabin nhiều thì nhiệt được truyền theo và sinh công càng
nhiều, do vậy điện năng sản xuất ra càng lớn (chuyển hóa năng lượng từ nhiệt
năng thành cơ năng và thành điện năng) làm cho công suất của máy phát tăng
nhưng chúng được xếp vào hai loại điều khiển thực hiện hai nhiệm vụ chính sau
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 đề
cập ở phần trên bao gồm nhiều quá trình chuyển hóa năng lượng: từ hóa năng
thành nhiệt năng, nhiệt năng lại chuyển hóa thành hóa năng và cơ năng, từ cơ
năng chuyển hóa thành thành điện năng. Tuy nhiên trong điều khiển thì quá
trình thường đi theo hướng ngược lại, từ yêu cầu của tải quyết định công suất
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 và điều 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 trong bao
hơi. Tất cả các quá trình điều khiển đó đều nhằm mục đích là đảm bảo quá trình
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 như tuổi
thọ của nhà máy và chất lượng điện phát ra thì phải đảm bảo được hai yêu cầu:
Chất lượng của quá trình cháy: Nhiên liệu cấp vào lò đủ mịn, lượng
không khí cấp vào đảm bảo nhiên liệu cháy hết tạo ra nhiệt năng lớn nhất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
15
Chất lượng của hơi: Hơi có nhiệt độ, áp suất ổn định và lưu lượng đáp
ứng theo yêu cầu tải, ngoài ra hơi nước không được phép lẫn bụi hay các hạt
nước 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.
độ vận hành của lò hơi và đòi hỏi các thao tác điều khiển lò tương ứng.
Nhiệm vụ của công tác vận hành lò hơi là đảm bảo sao cho lò hơi làm
việc ở trạng thái kinh tế nhất, an toàn nhất trong một thời gian lâu dài. Cụ thể
trong quá trình vận hành lò hơi không để xẩy ra sự cố và phải đảm bảo lò làm
việc có hiệu suất cao nhất, tương ứng là lượng than tiêu hao để sản xuất 1 kg hơi
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 số không 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 một phạm vi giới
hạn cho phép tương đối nghiêm khắc.
Việc tự động hóa lò hơi chủ yếu tập trung vào vấn đề điều khiển tự động
các quá trình trong lò để đảm bảo cho lò làm việc ổn định và kinh tế nhất bằng
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 việc điều
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 cấu thành
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.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
17
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
lượng 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 được duy trì ở một giá trị cố
định nhằm tiết kiệm năng lượng, tránh gây hư hại đường ống do dao động về
nhiệt, và tránh tổn thất nhiệt năng do có sự trao đổi nhiệt giữa hơi và đường ống
dẫn hơi. Hơi bão hoà ra khỏi bao hơi có nhiệt độ không ổn định do nhiều nguyên
nhân như sự thay đổi tải lò, sự biến đổi của bề mặt truyền nhiệt,…
Áp suất hơi:
Áp suất hơi cũng là một thông số của hệ điều khiển, với mọi giá trị yêu
cầu của tải thì áp suất hơi được điều chỉnh ở một giá trị ổn định.
Giữa áp suất hơi và lưu lượng hơi có mối quan hệ qua lại với nhau. Khi
lưu lượng hơi tăng thì ngay lập tức áp suất hơi sẽ giảm do hơi từ bao hơi chưa
cung cấp kịp cho sự thay đổi của yêu cầu hơi. Vì vậy sự thay đổi của áp suất hơi
khi 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 lượg hơi tiêu thụ và lượng hơi sinh ra cân
bằng nhau. Áp suất hơi giảm tức là hơi tiêu thụ nhiều tăng lên, nên cần phải tăng
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 vào tuabin
là các thông số quan trọng của hệ thống điều khiển hơi. Việc tối ưu hoá các giá
trị này như một giải pháp nâng cao hiệu suất của nhà máy và chất lượng điện
phát ra.
Hệ thống điều khiển hơi có hai hệ điều khiển được phân ly: hệ điều khiển
nhiệt độ và hệ điều khiển áp suất – lưu lượng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
19
Hệ điều khiển áp suất và lưu lượng hơi: Đại lượng yêu cầu điều khiển ở
- Thiết kế được bộ điều khiển PID để điều khiển và ổn định áp suất của mô
hình lò hơi nhà máy nhiệt điện ở Trung tâm thí nghiệm – Trường đại học KTCN
Thái Nguyên. Mô phỏng và thực nghiệm để kiểm chứng.
- Thiết kế bộ điều khiển mờ lai để cải thiện chất lượng điều khiển và mô
phỏng để kiểm chứng.
1.4. Kết luận chƣơng 1
Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau:
- Tổng quan được những nét cơ bản nhất về nhà máy nhiệt điện.
- Lựa chọn được đối tượng nghiên cứu là áp suất bao hơi
- Lựa chọn phương pháp điều khiển mờ lai để điều khiển áp suất bao hơi
trong lò hơi nhà máy nhiệt điện.
Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về áp suất bao hơi, trong chương 2 sẽ
đi sâu nghiên cứu về áp suất bao hơi, làm cơ sở để mô tả toán học.
nhằm mô tả một cách logic các quan hệ về mặt chức năng giữa các thành phần
của hệ thống. Việc xây dựng mô hình trừu tượng của một hệ thống được gọi là
mô hình hoá. Mô hình hoá là một quá trình trừu tượng hoá trong đó thế giới thực
được mô tả bằng một ngôn ngữ mô hình hoá và bỏ qua các chi tiết không thiết
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
22
yếu. Trong kỹ thuật điều khiển, ta quan tâm trước hết tới bốn dạng mô hình trừu
tượng sau:
* Mô hình đồ hoạ: Với các ngôn ngữ mô hình hoá đồ họa như lưu đồ công
nghệ, lưu đồ P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri, biểu đồ logic, Mô hình đồ hoạ phù
hợp cho việc biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trúc liên kết và tương tác
giữa các thành phần.
* Mô hình toán học: Với ngôn ngữ của toán học như phương trình vi phân
(khả năng biểu diễn mạnh, với mô hình bậc cao thì khó sử dụng cho phân tích
thiết kế hệ thống), phương trình đại số, hàm truyền đạt, phương trình trạng thái
(áp dụng thống nhất cho phân tích, thiết kế hệ đơn biến và đa biến, khó tiến hành
nhận dạng trực tiếp, nhạy cảm với sai lệch thông số, ít dùng cho điều khiển quá
trình). Mô hình toán học thích hợp cho mục đích nghiên cứu sâu sắc các đặc tính
của từng thành phần cũng như bản chất của các mối liên kết và tương tác.
* Mô hình suy luận: Là một hình thức biểu diễn thông tin và đặc tính về
hệ thống thực dưới dạng các luật suy diễn, sử dụng các ngôn ngữ bậc cao.
* Mô hình máy tính: Là các chương trình phần mềm mô phỏng đặc tính
của hệ thống theo những khía cạnh quan tâm. Mô hình máy tính được xây dựng
với các ngôn ngữ lập trình, trên cơ sở sử dụng các mô hình toán học hoặc mô
hình suy luận.
Mô hình toán học, mô hình suy luận và mô hình máy tính được xếp vào
phạm trù mô hình định lượng, trong khi mô hình đồ hoạ thuộc phạm trù mô hình
định tính. Mô hình định tính thường quan tâm tới cấu trúc và mối liên quan giữa
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/
24 2.2.2. Xây dựng hàm truyền các thành phần của hệ thống
2.2.2.1. Thiết bị đo
a. Cấu trúc cơ bản:
Một thiết bị đo quá trình có nhiệm vụ cung cấp thông tin về diễn biến của
quá trình kỹ thuật và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn. Cấu trúc cơ bản của một
thiết bị đo quá trình được minh hoạ như trên hình 2.2. Thành phần cốt lõi của một thiết bị đo là cảm biến. Một cảm biến có chức
năng chuyển đổi một đại lượng vật lý, ví dụ nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng,
nồng độ sang một tín hiệu thông thường là điện hoặc khí nén. Một cảm biến có
thể bao gồm một hoặc vài phần tử cảm biến, trong đó mỗi phần tử cảm biến lại
Thiết bị đo áp suất
Copyright: Tài liệu đại học ©