Nghiên cứu công nghệ và thiết kế hệ thống điều khiền bền vững mức nước bao hơi nhà máy điện rác thăng long

TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY ĐIỆN ĐỐT RÁC THĂNG LONG 7 1.1 Tổng quan

Hệ thống cấp nhiên liệu

Hình 1.3: Hệ thống nạp nhiên liệu

Hệ thống nạp nhiên liệu RDF bao gồm bồn chứa RDF và băng tải cấp liệu MCR (Max Continuous Rating) 1x100% Tường của bồn chứa RDF được chế tạo nghiêng âm để tránh sự cố khi cấp liệu Đường trích liệu được tạo thành bởi 1 máy cào đơn, vít đường kính lớn Vít được trang bị bộ biến tần để kiểm soát tỉ lệ cấp liệu qua một thùng nhỏ trung gian của hệ thống cấp liệu (có định lượng) Thùng đệm này được thiết kế để cố định mức nạp liệu Chức năng của hệ thống cấp liệu (có định lượng) nhằm cung cấp lưu lượng thích hợp với bộ điều khiển biến tần, được xác định bởi tín hiệu yêu cầu của tải lò đốt

Hệ thống cấp liệu (có định lượng) cần thiết tới lò thông qua băng tải tấm có điều khiển tốc độ Băng tải này rút nhiên liệu theo nhu cầu vận hành từ thùng đệm Thùng đệm được trang bị một lô đè để đảm bảo một lực ép – dàn đều nhiên liệu RDF khi rút Tại điểm trút liệu của băng tải là một lô gạt nhằm đảm bảo một dòng cấp liệu đồng đều, không bị vón cục

Hỗn hợp nhiên liệu rắn được đổ vào phễu cấp liệu lò, thông qua một van khóa xoay đường kính lớn, điều đó tạo thành 1 khóa khí/ga kín giữa đường cấp liệu và đầu vào của lò, có áp suất âm Van khóa xoay ngăn chặn rò rỉ không khí vào lò và đóng vai trò như lá chắn chống cháy ngược vào trong hệ thống cấp liệu

Hình 1.4: Hệ thống silo và cấp liệu

Hệ thống lò đốt

Hình 1.5: Các khoang chính của lò đốt tầng sôi tuần hoàn

Lò đốt sử dụng RDF (Refuse Derived Fuel) và cát sạch ( 0; 𝑏, 𝑇 1 , 𝑇 2 , 𝜏 ≥ 0 ∈ 𝑅 Trong đó, K – hệ số truyền, 𝜏 – thời gian trễ; T1,T2 – các hằng số quán tính b, Xác định sai lệch:

𝑇 3 ] 𝑒 − 𝑡−𝜏 𝑇 (2) Trong phương trình (1) và (2), 𝑦(𝑡) là hàm biến t và các tham số vẫn là các tham số cần xác định của mô hình (𝐾, 𝑏, 𝑇 1 , 𝑇 2 , 𝜏)

𝑡 𝑖 : (với 𝑖 = 1, 𝑁̅̅̅̅̅ ; 𝑁 là số lần đo), là thời điểm ở mỗi lần đo, ta đo được giá trị ở mỗi lần đo là 𝑦 𝑖 , giá trị này của mô hình chính là 𝑦(𝑡 𝑖 ) trong công thức (1) hoặc (2) [𝑦 𝑖 = 𝑦(𝑡 𝑖 )]

Sai lệch bình phương tại thời điểm 𝑡 𝑖 là [𝑦(𝑡 𝑖 , 𝑋 1 ) − 𝑦 𝑖 ] 2

Giả sử làm thí nghiệm N lần, khi đó tổng sai lệch bình phương là:

Hàm sai lệch 𝐹(𝑋 1 ) càng bé, mô hình càng phản ánh chính xác đối tượng cần lựa chọn

Lưu ý: Các nghiệm làm 𝐹(𝑋 1 ) đạt cực tiểu phải đảm bảo điều kiện ràng buộc với tham số mô hình (𝐾 > 0; 𝑏, 𝑇 1 , 𝑇 2 , 𝜏 ≥ 0)

Trong phương pháp giải bài toán tối ưu, để giải quyết vấn đề ràng buộc của nghiệm, người ta dùng khái niệm “hàm phạt”

𝑝 1 = 10 3 ÷ 10 6 : được gọi là hệ số phạt

Khi đó: 𝐽 1 (𝑋 1 ) = 𝐹 1 (𝑋 1 ) + 𝑝 1 𝛱(𝑋 1 ) không đạt cực tiểu

Hàm 𝐽 1 (𝑋 1 ) được gọi là hàm mục tiêu đảm bảo tham số mô hình không âm Giải bài toán 𝐽 1 (𝑋 1 ) min, xác định nghiệm 𝑋 1

3.1.4 Nhận dạng mô hình đối tượng không có tự cân bằng Đối tượng không có tự cân bằng có thể xấp xỉ bởi mô hình khâu tích phân có quán tính và có trễ (TpQT), với hàm truyền dạng :

𝑠(𝑇𝑠 + 1)× 𝑒 −𝜏𝑠 Với tác động bậc thang : u(t)=u0.1(t) → u0/s Ta có ảnh đáp ứng ra :

𝑠 2 (𝑇𝑠 + 1)] × 𝑒 −𝜏𝑠 Biểu thức trong ngoặc vuông có thể phân tích thành các phân thức tối giản:

𝑠 + 1/𝑇 𝑒 −𝜏𝑠 ] Thực hiện biến đổi Laplace ngược đối với từng số hạng, ta được:

Xét hàm trên, ta thấy lim

𝑡→∞𝑒 − 𝑡−𝜏 𝑇 = 0, do đó, y(t) sẽ có tiệm cận xiên với phương trình𝑓(𝑡) = 𝑢 0 𝐾(𝑡 − 𝜏 − 𝑇) Đường thẳng này cắt trục hoành tại thời điểm 𝑡 𝑠 = 𝑇 + 𝜏 Thay 𝑡 = 𝑡 𝑠 vào phương trình trên, ta có :

Hình 3.2: Đáp ứng quá độ của đối tượng tích phân có quán tính và có trễ

Từ đây, ta có trình tự tính toán các tham số của mô hình từ đáp ứng quá độ thực nghiệm như sau:

Tổng hợp bộ điều khiển bền vững

Bộ điều chỉnh là khâu nằm trong một vòng kín nào đó nên nó có thể làm thay đổi tính chất ổn định của hệ thống và có ảnh hưởng quyết định đến các chỉ số chất lượng điều chỉnh Còn các bộ khử nhiễu hoặc khâu lọc thì nằm ngoài các vòng kín nên không ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống mà chỉ có tác dụng cải thiện làm giảm sai số điều chỉnh Đặc điểm của các đối tượng điều chỉnh công nghiệp là có quán tính lớn và thường có trễ vận tải hoặc mô hình hoá dưới dạng khâu động học có trễ Trong miền thời gian, chúng được mô tả bởi các phương trình vi phân phi tuyến Vì vậy các phương pháp tổng hợp dựa trên mô hình này gặp nhiều khó khăn phức tạp Trong khi đó, các phương pháp dựa trên mô hình hàm truyền và đặc tính tần số được áp dụng đơn giản và hiệu quả hơn

Cấu trúc sơ bộ của hệ thống thường chọn là hệ một vòng điển hình, bao gồm một đối tượng và một bộ điều chỉnh Theo kết quả đánh giá chất lượng hệ tạo thành, nếu cần tăng cường tính ổn định của hệ thống và/hoặc cần triệt giảm ảnh hưởng của nhiễu một cách hiệu quả hơn, có thể thiết lập vòng điều chỉnh bổ sung tác động nhanh hơn Điều đó dẫn đến cấu trúc hệ hai vòng hoặc nhiều vòng Trong thực tế, những hệ thống điều khiển một đầu ra thường là một vòng hoặc có nhiều

59 vòng lồng nhau, có tên gọi chung là hệ điều khiển tầng (CASCAD) Trong công nhiệp, áp dụng chủ yếu hệ một tầng (1 vòng) hoặc 2 tầng (2 vòng)

Nếu tồn tại nhiễu ngoài đáng kể và có thể đo được, thì để triệt giảm ảnh hưởng của nó có thể thiết lập các kênh khử song song Khi đó, ta đi đến hệ thống điều khiển hỗn hợp, thực hiện đồng thời nguyên lý điều khiển theo sai lệch (có vòng kín) và nguyên lý điều khiển theo nhiễu Nguyên lý điều khiển theo nhiễu còn áp dụng với khâu lọc nhằm giảm bớt độ quá điều chỉnh của đại lượng đầu ra, đồng thời làm giảm độ biến thiên của tác động điều chỉnh, gây ra bởi sự thay đổi đột ngột giá trị đặt

Bộ điều chỉnh là khâu nằm trong một vòng kín nào đó nên nó có thể làm thay đổi tính chất ổn định của hệ thống và có ảnh hưởng quyết định đến các chỉ số chất lượng điều chỉnh Còn các bộ khử nhiễu hoặc khâu lọc thì nằm ngoài các vòng kín nên không ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống mà chỉ có tác dụng cải thiện làm giảm sai số điều chỉnh

Vì vậy, quá trình tổng hợp hệ thống thường được phân rã thành bài toán tổng hợp bộ điều chỉnh và bài toán tổng hợp bộ khử, tương đối độc lập lẫn nhau Bài toán tổng hợp bộ điều chỉnh có độ phức tạp hơn hẳn so với bài toán tổng hợp bộ khử vì khi xác định bộ điều chỉnh để cải thiện chỉ số chất lượng nào đó luôn luôn phải tính đến điều kiện dự trữ ổn định của hệ thống Còn trong bài toán tổng hợp bộ khử thì các bộ điều chỉnh coi như đã hiệu chỉnh xong, vấn đề còn lại là xác định bộ khử hay khâu lọc sao cho giảm tối đa sai số điều chỉnh

Việc hình thức hóa toán học điều kiện dự trữ ổn định của hệ thống xưa nay vẫn là vấn đề phức tạp nhất trong quá trình tổng hợp hệ thống Vấn đề đảm bảo dự trữ ổn định của hệ thống một mặt được đặt ra do sự xấp xỉ mô hình và các kết quả tính toán gần đúng Mặt khác, dự trữ ồn định hệ thống có ý nhĩa đặc biệt quan trọng đảm bảo chất lượng quá trình quá độ trong trường hợp đặc tính đối tượng thay đổi bất định trong quá trình làm việc

Các chỉ số chất lượng quan trọng của hệ thống điều khiển thể hiện trực tiếp trên đáp ứng của nó đối với xung bâc thang Đó là thời gian điều chỉnh (độ tác động nhanh), độ quá điều chỉnh, sai số xác lập, tích phân sai số điều chỉnh, v.v Tùy theo tính chất của quá trình công nghệ mà chỉ số này hay chỉ số khác được coi là quan trọng nhất

Trong số các chỉ số chất lượng trên, thì chỉ tiêu tích phân bình phương sai số điều chỉnh phản ánh đúng đắn và bao quát nhất về độ chính xác điều chỉnh Mặt khác, nó cho phép áp dụng dễ dàng và hiệu quả, đặc biệt trong vùng tần số, nên được sử dụng rất phổ biến trong các bài toán tổng hợp hệ thống

Một yêu cầu chung nhất về chất lượng của một hệ thống điều khiển tự động là hệ thống phải có khả năng làm việc một cách ổn định trong mọi điều kiện làm việc đã định của nó Mặt khác, chất lượng quá trình điều khiển phải đạt cao nhất Thực tế cho thấy rằng, các hệ thống điều khiển trong công nghiệp thường phải làm việc trong điều kiện mà đặc tính động học của đối tượng điều chỉnh thay đổi thường xuyên, đồng thời, các tác động nhiễu xảy ra không có qui luật và khó xác định Trong điều kiện như vậy, điều đầu tiên nghĩ tới khi tổng hợp hệ thống là tìm ra một bộ điều chỉnh đáp ứng đồng thời hai yêu cầu cơ bản về chất lượng hoạt động của hệ thống, như sau:

✓ Đại lượng điều chỉnh đầu ra bám càng sát tín hiệu đặt đầu vào càng tốt, đồng thời triệt giảm tối đa sự ảnh hưởng của các tác động nhiễu

✓ Hệ thống phải có độ ổn định cao nhất, tức có dự phòng ổn định tối đa để lường trước mọi sự thay đổi bất định của đặc tính đối tượng

Trên đây là cách tiếp cận bài toán tồng hợp hệ thống rất chung và tồn tại nhiều lời giải Để giải quyết vấn đề trên, trước hết người ta thiết kế hệ thống một vòng đơn giản, chỉ bao gồm một đối tượng và một bộ điều chỉnh:

Hình 3.3: Hệ thống điều khiển 1 vòng điển hình z - giá trị đặt; y - đại lượng điều chỉnh - đầu ra của hệ thống; u - tác động điều chỉnh - đầu ra của bộ điều chỉnh;

8 = z - y - sai số điều chỉnh, là đầu vào của bộ điều chỉnh; v - nhiễu quá trình tác động tại đầu vào của đối tượng;

Z(s), V(s), Y(s) - lần lượt là ảnh Laplace của các tín hiệu: z, v, y;

O(s), R(s) - các hàm truyền tương ứng của đối tượng và bộ điều chỉnh; H(s)=R(s)O(s) - hàm truyền vòng, tức hàm truyền của hệ hở (khi cắt đứt vòng kín);

W(s)=H(s)/[1+H(s)] - hàm truyền của hệ kín theo kênh đặt: z -> y

Vấn đề đặt ra là phải xác định bộ điều chỉnh sao cho đảm bảo các yêu cầu về chất lượng hệ thống kể trên Nếu bộ điều chỉnh nhận được không đáp ứng hết các yêu cầu đã nêu, thì người ta tiến hành thiết kế bổ sung các bộ khử hay bộ lọc để giảm sai số điều chỉnh hoặc cải thiện các chỉ tiêu chất lượng khác của quá trình điều khiển

Bài toán tổng hợp bộ điều chỉnh đảm bảo sự ổn định bền vững của hệ thống và chất lượng điều khiển tối ưu có thể phát biểu như sau:

Thiết kế hệ thống điều khiển mức nước bao hơi sử dụng phần mềm

3.3.1 Giới thiệu phần mềm CASCAD

Phần mềm CASCAD được tác giả PGS TSKH VS Nguyễn Văn Mạnh viết dựa trên hệ thống lý thuyết được tác giả nêu ra bao gồm:

− Lý thuyết tối ưu hóa “vượt khe”

− Lý thuyết điều khiển bền vững

CASCAD cho phép thiết kế các hệ thống điều khiển bền vững tối ưu, phổ biến trong các quá trình công nghiệp Có thể dùng để mô phỏng hệ thống, cải tiến từng bộ phận, hoặc thiết kế hệ thống mới

CASCAD cho phép nhận dạng và mô hình hoá các đối tượng bất định, tổng hợp cấu trúc hệ thống, tổng hợp các bộ điều chỉnh và các bộ khử nhiễu, giải bài toán tối ưu hoá tham số hệ thống bằng phương pháp “vượt khe”

Kết quả tính toán là dữ liệu về cấu trúc hệ thống và các hàm truyền của các khâu Chất lượng thiết kế được thể hiện bằng đồ thị các đặc tính tần số và các đáp ứng thời gian của hệ thống theo các kênh ứng với đầu vào đặt (z) và các đầu vào nhiễu (v)

CASCAD cho phép mô phỏng và thiết kế hệ thống điều khiển với cấu trúc tối đa 5 tầng, mỗi tầng chứa 5 khâu động học cơ bản và một khâu dùng để mô phỏng sự bất định của đối tượng Ngoài ra, ứng với mỗi tầng có một khâu là đầu vào nhiễu, còn một khâu là đầu vào đặt để điều khiển hệ thống nói chung

3.3.2 Trình tự tính toán trên phần mềm CASCAD

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mức bao hơi nhà máy sẽ là mạch điều khiển hai vòng, có dạng như sau:

Hình 3.8:sơ đồ khối hệ thống điều khiển mức nước bao hơi nhà máy điện rác

- Đối tượng điều khiển O1: mức nước bao hơi

- Đối tượng điều khiển O2: van điều khiển cấp nước

Nhận dạng đối tượng vòng trong van O 2 :

Hình 3.9: Đặc tính quá độ của van

Dựa vào đặc tính quá độ của van nước cấp, ta có thể nhận dạng được đối tượng Van O2 :

Hình 3.10: Đối tượng Van O 2

Nhận dạng đối tượng vòng ngoài O 1

Hình 3.11: Đặc tính quá độ của bao hơi

Dựa vào đặc tính quá độ của mức nước bao hơi, ta có thể nhận dạng được đối tượng mức nước O1 :

Hình 3.12: Đối tượng bao hơi O 1

Sơ đồ điều khiển xây dựng trên CASCAD:

Hình 3.13: Sơ đồ điều khiển trên CASCAD

Sau khi xây dự ng xong hệ thố ng điệ u khiệ n trên CASCAD, tiệ n hành tính toán các bố điệ u khiệ n R1, R2 theo trình tự tự vòng trong đến vòng ngoài Xác định các bố điệ u khiệ n trên CASCAD nhự sau:

Hình 3.14: Xác định bộ điều khiển R 2

Kết quả thu được bộ điều khiển R2 dạng PID:

Hình 3.15: Xác định bộ điều khiển R 1

Kết quả thu được bộ điều khiển R1 dạng PD:

𝑠 Đặc tính quá độ của hệ thống khi chưa tăng cường kháng nhiễu:

Hình 3.16: Đặc tính quá độ của hệ thống chưa tăng cường kháng nhiễu

Ta bổ sung tác động tích phân cho bộ điều khiển để tăng cường kháng nhiễu, bộ điều khiển R1 sau khi tăng cường kháng nhiễu có dạng PID:

Hình 3.17: Bộ điều khiển R 1 sau khi bổ sung tác động tích phân

75 Đặc tính quá độ của hệ thống sau khi tăng cường kháng nhiễu:

Hình 3.18: Đặc tính quá độ của hệ thống sau khi tăng cường kháng nhiễu

Kết quả thu được: Độ quá điều chỉnh:

1 = 52% Độ quá điều chỉnh quá lớn, ta tổng hợp lại bộ điều khiển R1 sau khi bổ sung tác động tích phân với độ quá điều chỉnh nhỏ hơn:

Hình 3.19: Bộ điều khiển R1 tổng hợp lại

𝑠 Đặc tính quá độ của hệ thống khi đó:

Hình 3.20: Đặc tính quá độ của hệ thống với bộ điều khiển R 1 **

Kết quả thu được: Độ quá điều chỉnh:

Thời gian điều chỉnh trở nên tương đối lớn so với bộ điều khiển trước đó, nhưng độ quá điều chỉnh lại nhỏ hơn Ứng dụng phần mềm CASCAD, em đã thực hiện được:

- Mô hình hóa đối tượng điều chỉnh theo số liệu thực nghiệm trong CASCAD

- Nhận dạng đối tượng điều khiển từ mô hình của đối tượng theo số liệu thực nghiệm, ta được các thông số của hàm truyền đối tượng điều khiển Phần mềm CASCAD đã tích hợp tối ưu bền vững và nhận dạng hàm truyền bộ điều điều chỉnh có độ ổn định và chính xác cao hơn phương pháp tính toán kinh điển CASCAD là một công cụ rất hữu hiệu và tiện lợi dùng để mô phỏng và kiểm tra chất lượng, tối ưu hoá hoặc thiết kế mới các hệ thống điều khiển tầng Số liệu ban đầu có thể chỉ là những bảng số liệu về đặc tính tần số hoặc các tín hiệu thời gian đo được để dưới dạng bảng số