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

Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện 21 Chương 3.. Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

-

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn/

- -

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

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

Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt vi

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH

BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

3

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

Chương 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

19

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

nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện

21

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

ỔN ĐỊNH MỨC NƯỚC CẤP BÌNH BAO HƠI

39

3.1.1.3 Phương pháp hằng số thời gian tổng của Kuhn 42

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

3.4.1 Mô hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm 48

57

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

4.1.4.3 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

4.3.2 Kết quả mô phỏng và so sánh bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Các ký hiệu:

STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ

Các chữ viết tắt

STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ

19 FMRAFC Bộ điều khiển mờ thích nghi theo mô hình mẫu truyền thẳng

20 Measurementdevice Thiết bị đo

23 Signal conditioning Điều hoà tín hiệu

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

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

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

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

nghiệp

22

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

Hình 2.9

Hình 2.10

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

Hình 3.3

Hình 3.4

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

nhà máy nhiệt điện

Hình 3.14 Kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước cấp bao hơi nhảy cấp

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

Hình 4.14 Tập mờ Kp và KD 67

Hình 4.16

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

Hình 4.17

Sơ đồ mô phỏng mức nước bao hơi với cấu trúc bộ điều khiển

Hình 4.19

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

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:

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

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 1 TỔNG 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 đốt cháy các nhiên liệu: than đá, khí thiên nhiên, dầu mỏ tại buồng đốt làm nước 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 thu được ở đầu ra của

máy phát sẽ được đưa qua hệ thống các trạm biến áp để cung 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 sống kinh tế – xã hội của loài người Xã hội càng phát triển thì nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao Nhưng nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt dần,

nó tỷ lệ thuận với tốc độ phát triển của kinh tế thế giới Trong những năm qua, 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 sinh hoạt 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 duy trì mức tăng trưởng kinh tế, góp phần bảo đảm an ninh chính trị, trật tự an toàn 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 các nguồn 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 công nghiệp hóa và hiện đại hóa nước ta”

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 trường truyền tải nhiệt năng đi nhưng hơi nước vẫn phải đảm bảo chất lượng ( như phải đủ áp suất, đủ độ khô) trước khi vào tuabin để sinh công Nhiệt năng cung cấp càng nhiều thì năng lượng điện phát ra càng lớn và ngược lại Điện áp phát ra ở đầu cực máy phát điện sẽ được đưa qua hệ thống trạm biến áp để nâng lên cấp điện áp thích hợp trước khi hoà vào mạng lưới điện quốc gia

Quá trình chuyển hoá năng lượng từ năng lượng hoá năng chứa trong nhiên liệu thành nhiệt năng bởi quá trình đốt cháy nhiên liệu Nhiệt năng của quá trình đốt cháy nhiên liệu được cấp cho quá trình tạo hơi bão hoà mang nhiệt năng Hơi bão hoà là môi trường truyền nhiệt từ lò đến tuabin Tại tuabin nhiệt năng biến đổi thành cơ năng, sau đó từ cơ năng chuyển hoá thành điện năng Quá trình chuyển hoá năng lượng đó có thể được thể hiện qua mô hình sau:

Hình 1.1 Quá trình chuyển hóa năng lượng

1.1.2 Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện

Nhà máy nhiệt điện 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 đốt

cháy các nhiên liệu: than đá, khí thiên nhiên, dầu mỏ tại buồng đốt làm nước trong lò hơi chuyển hóa thành hơi nước Nước ngưng từ các bình ngưng tụ được bơm ngưng bơm vào các bình gia nhiệt hạ áp đến 140oC Tại đây, nước ngưng được gia nhiệt bởi hơi nước trích ra từ các cửa trích hơi qua tuabin Sau khi 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 khi được khử khí, được các bơm cấp nước đưa qua các bình gia nhiệt cao áp để tiếp tục được gia nhiệt bởi hơi nước trích ra từ các cửa trích hơi ở xilanh cao áp của tuabin đến nhiệt độ 230oC Sau khi được gia nhiệt ở gia nhiệt cao áp, nước 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 ống sinh hơi, nhận nhiệt năng từ buồng đốt của lò biến thành hơi nước và trở về bao 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 đưa qua các

bộ sấy hơi, tại đây hơi được sấy khô thành hơi quá nhiệt, rồi được đưa vào tuabin Tại tuabin, động năng của dòng hơi được biến thành cơ năng quay trục

hệ thống Tuabin-Máy phát Hơi sau khi sinh công ở các tầng cánh của tuabin được ngưng tụ thành nước ở bình ngưng tụ Công do tuabin sinh ra làm 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 đổi theo 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 hành phức tạp nhất Nó được cơ khí hóa và tự động hóa khá cao, làm việc đảm bảo

và hiệu suất cao Trong đó xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa

ra sẽ biến nước thành hơi, biến năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt 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 và thông 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 thường được đưa lên nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ sôi, biến thành hơi bão hòa hoặc hơi 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 tạo chung của lò hơi là nhằm thực hiện 2 nhiệm vụ chính: Một là chuyển hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt năng của sản phẩm cháy, nghĩa là đốt nhiên liệu thành sản phẩm cháy có nhiệt độ cao, nước sôi, hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt có áp suất và nhiệt độ thỏa mãn yêu cầu sử dụng

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 và lớn, dùng phổ biến hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện ở nước ta, có thể đốt nhiên liệu khí, nhiên liệu lỏng phun thành hạt hoặc nhiên liệu rắn nghiền thành bột mịn

Hình 1.3: Nguyên lý cấu tạo của lò hơi

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 khi thải ra ngoài trong trường hợp thải xỉ khô, giếng xỉ để hứng tất cả xỉ ra ngoài, bơm nước cấp, ống khói, bộ sấy không khí, quạt gió, bộ hâm nước, dàn ống nước xuống, dàn ống nước lên, dãy festoon dàn ống sinh hơi và bộ quá nhiệt, 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 bao hơi (lò hơi tuần hoàn tự nhiên nhiều lần khi áp suất hơi mới được chọn p0 < Pth với pth = 221 [at]) và Lò hơi trực lưu

- Lò hơi có bao hơi:

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

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

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 - Đường ống 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 tuần hoàn tự nhiên của nước và hơi 9 - Đường ống dẫn hơi bão hoà tới bộ quá nhiệt

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 nhiên liệu 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 quá trình 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 lỏng thành 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 ra ở

áp suất nào mà nhiệt độ sôi t S , nhiệt lượng đun nóng nước tới nhiệt độ sôi i’, nhiệt lượng sinh hơi r và nhiệt hàm của hơi bão hoà khô i” sẽ thay đổi tương

ứng, ví dụ như trên bảng 1.1

Quá trình truyền nhiệt từ sản phẩm cháy cho môi chất được thực hiện nhờ các dạng trao đổi nhiệt: bức xạ, đối lưu, dẫn nhiệt Hiệu quả của các dạng này phụ thuộc vào tính chất vật lý của môi trường, môi chất tham gia và phụ thuộc 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 phổ biến hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện ở nước ta và trên thế giới, công suất 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 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 lên và ngược lại Nên khi có yêu cầu

về công suất điện phát ra thay đổi thì phải thay đổi lưu lượng hơi đưa vào tuabin, kéo theo đó là yêu cầu nhiệt năng tăng lên, nhiên liệu đưa vào lò phải tăng lên và nước cấp vào bao hơi cũng phải tăng lên để có được sản lượng hơi yêu cầu

Lò hơi là một hệ thống có nhiều đầu vào và có nhiều đầu ra Đầu vào của lò hơi bao gồm nhiên liệu (than, dầu), gió đảm bảo cung cấp O2 cho quá trình cháy và lượng nước cấp xuống từ bao hơi Đầu ra của lò bao gồm hơi nước 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 là hóa

năng có chứa trong nhiên liệu Năng lượng hữu ích đầu ra của lò được mang

đi bởi hơi nước bã hòa (nước là môi chất truyền nhiệt năng) Đầu vào và ra

có quan hệ mật thiết với nhau, với mỗi yêu cầu thay đổi đầu ra là công suất máy phát điện thì cần phải điều khiển nhiên liệu vào như than, gió đáp 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 điều khiển

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 điều khiển gió vào

lò, nhiên liệu, quá trình cháy, hơi, nước cấp đều có tác động và ảnh hưởng lẫn nhau, để đạt được hiệu suất tối đa, đáp ứng yêu cầu tải thì cùng lúc phải phối hợp điều khiển nhiều đối tượng với nhiều thông số Điều này yêu cầu một hệ thống điều khiển tổng thể, điều khiển giám sát và làm giảm được sự xen kênh giữa các hệ điều khiển của các đại lượng trong hệ thống

Các hệ điều khiển đó bao gồm nhiều mạch vòng điều khiển khác nhau 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

- 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

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 lò hơi 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 liệu thành nhiệt năng của dòng hơi Lò hơi sản xuất ra hơi để làm quay tuôcbin phục vụ cho việc sản xuất điện năng và cũng là thiết bị lớn nhất và vận hành phức tạp nhất Lò hơi

là một hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra Hệ thống điều khiển lò hơi là một hệ thống điều khiển phức tạp, giám sát và điều khiển hàng trăm tham số Hệ

thống có cấu trúc phức tạp với nhiều mạch vòng điều khiển khác nhau

Vận hành lò hơi là một công việc gồm nhiều 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 phải thay đổi 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

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 đặt phía trên lò, ở vị trí cao nhất) Buồng đốt được cấu tạo từ các dàn ống sinh hơi, các dàn ông sinh hơi được đốt nóng trực tiếp bởi ngọn lửa trong lò, nước trong các dàn ống sinh hơi sẽ sôi và sinh hơi Hỗn hợp hơi nước bốc lên từ các dàn ống sinh hơi tường hai bên lò tập trung vào các ống góp trên hai bên sườn trần

lò Từ các ống góp này hỗn hợp hơi nước đi vào bao hơi bằng các đường ống lên Hơi nước vào bao hơi sẽ qua máy lọc hơi để lọc đi phần nước trong hỗn hợp hơi nước rồi được đưa vào bộ quá nhiệt để khử ẩm cho hơi và đảm bảo chất

lượng hơi trước khi bắn vào tuabin

Hơi nước là môi chất truyền năng nượng, để đảm bảo hiệu suất biến đổi năng lượng được tốt cần phải quan tâm tới các thông số cơ bản của hơi nước là:

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 Lưu lượng hơi dẫn vào tuabin càng nhiều thì công sinh ra càng lớn và công suất máy 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 chỉnh nhiên liệu đầu vào cho quá trình cháy trong lò hơi và điều chỉnh van tuabin Khi điều chỉnh nhiên liệu thì đồng thời tác động lên bộ điều khiển không khí cho phù hợp với chế độ kinh tế nhất Hệ thống điều chỉnh phụ tải nhiệt nhằm duy trì 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 nhiều nguyên nhân như: Sự thay đổi độ ẩm và nhiệt trị của nhiên liệu, Nhiệt độ nước cấp, cũng như sự biến động của nhiên liệu, … Những thay đổi đó là tín hiệu tác động trở lại bộ điều chỉnh nhiên liệu để thay đổi lượng nhiên liệu từ đó duy trì 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 đinh

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 lượng 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

Hệ điều khiển áp suất và lưu lượng hơi: Đại lượng yêu cầu điều khiển ở

đây là áp suất hơi phải giữ không đổi với mọi giá trị tải yêu cầu, trong khi đó lưu lượng lại luôn thay đổi phụ thuộc vào công suất tải yêu cầu Để thực hiện điều khiển 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 thấp như 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 mức nước bao hơi, bộ điều chỉnh mức nước sẽ làm thay đổi độ mở van cấp nước 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 nước cấp Yếu tố tác động mạnh nhất gây ra sự mất ổn định mức nước bao hơi là lưu lượng hơi tươi cấp cho tuabin Do đó, yêu cầu đối với bộ điều chỉnh mức nước là phải có độ tác động nhanh phù hợp Nếu bộ điều chỉnh mức nước tác động quá nhanh, van nước cấp sẽ phải đóng mở liên tục, dẫn đến tình trạng mau hư hỏng

Việc đưa ra phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho một hệ thống 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

đòi hỏi các nhà khoa học không ngừng phát triển nghiên cứu Vì vậy đề tài tập trung vào việc nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID và triển khai thí nghiệm sau đó đề xuất phương pháp thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống ổn định mức nước cấp bao hơi và kiểm chứng bằng mô phỏng Matlab/Simulink

1.4 Kết luận chương 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 mức nước bao hơi

- Đề xuất phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều khiển mức nước bao hơi trong lò hơi của nhà máy nhiệt điện trên cơ sở mô hình nhà máy nhiệt điện tại trung tâm thí nghiệm của trường Đại học kỹ thuật công nghiệp (Mô hình này giống như nhà máy nhiệt điện)

Trên cơ sở tổng quan về nhà máy nhiệt điện (mô hình nhà máy nhiệt điện tại Trung tâm thí nghiệm), trong chương 2 sẽ đi sâu nghiên cứu xây dựng mô tả toán học cho hệ điều khiển mức nước bao hơi của mô hình nhà máy nhiệt điện

Chương 2

MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN

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

Mô tả toán học của đối tượng là đưa đối tượng về một dạng mô hình toán

nào đó Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết

yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng Một mô hình phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó phục vụ hữu ích cho mục đích

sử dụng Mô hình không những giúp ta hiểu rõ hơn về thế giới thực, mà còn cho phép thực hiện được một số nhiệm vụ phát triển mà không cần sự có mặt của quá trình và hệ thống thiết bị thực Mô hình giúp cho việc phân tích kiểm chứng tính đúng đắn của một giải pháp thiết kế được thuận tiện và ít tốn kém, trước khi đưa giải pháp vào triển khai

Có thể phân loại thành hai phạm trù là mô hình vật lý và mô hình trừu tượng Mô hình vật lý là một sự thu nhỏ và đơn giản hoá của hệ thống thực, được xây dựng trên cơ sở vật lý - hoá học giống như các quá trình và thiết bị thực

- Mô hình vật lý là một phương tiện hữu ích phục vụ đào tạo cơ bản và

nghiên cứu ứng dụng, nhưng ít phù hợp cho các công việc thiết kế và phát triển của người kỹ sư điều khiển quá trình

- Mô hình trừu tượng được xây dựng trên cơ sở một ngôn ngữ bậc cao,

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 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 các thành phần hệ thống về mặt định tính Trong khi đó một mô hình định lượng cho phép thực thi các phép tính để xác định rõ hơn quan hệ về mặt định lượng giữa các đại lượng đặc trưng trong hệ thống cũng như quan hệ tương tác giữa hệ thống với môi trường bên ngoài

Mặc dù cả bốn dạng mô hình nói trên đều có vai trò quan trọng nhất định trong lĩnh vực điều khiển quá trình, các mô hình toán học đóng vai trò then chốt trong hầu hết nhiệm vụ phát triển hệ thống Trong các bước thực hiện nhiệm vụ

phát triển, mô hình toán học giúp các cán bộ công nghệ cũng như cán bộ điều khiển cho các mục đích sau đây:

- Hiểu rõ hơn về quá trình sẽ cần phải điều khiển và vận hành

- Tối ưu hoá thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệ thống

- Thiết kế sách lược và cấu trúc điều khiển

- Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điều khiển

- Phân tích và kiểm chứng các kết quả thiết kế

- Mô phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo vận hành

Xác định rõ mục đích sử dụng của mô hình là một việc hết sức cần thiết, bởi mục đích sử dụng quyết định tới việc lựa chọn phương pháp mô hình hoá cũng như mức độ chi tiết và chính xác của mô hình sau này

2.2 Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển mức nước cấp bình bao hơi nhà máy nhiệt điện

2.2.1 Cấu trúc mô hình nhà máy nhiệt điện

Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình được minh họa như hình 2.1:

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

2.2.2 Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống mức nước cấp bình bao hơi

Cấu trúc điều khiển của hệ thống điều khiển quá trình nói chung được minh họa như hình 2.2:

Bình chứa

Bao hơi

Bình nước

Điện trở

Bơm nước B02

Hình 2.1: Mô hình NMTĐ tại trung tâm thí nghiệm của trường ĐH kỹ thuật công nghiệp

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

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 2.3

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

là một bộ chuyển đổi từ một đại lượng này sang một đại lượng khác dễ xử lý hơn Tín hiệu ra từ cảm biến thường rất nhỏ, chưa truyền được xa, chứa sai số do chịu ảnh hưởng của nhiễu hoặc do độ nhạy kém của cảm biến, phi tuyến với đại lượng đo Vì thế sau phần tử cảm biến người ta cần các khâu khuếch đại chuyển đổi, lọc nhiễu, điều chỉnh phạm vi, bù sai lệch và tuyến tính hoá Những chức năng đó được thực hiện trong một bộ chuyển đổi đo chuẩn Một bộ chuyển đo đổi chuẩn đóng vai trò là một khâu điều hoà tín hiệu, nhận tín hiệu đầu vào từ một cảm biến và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn để có thể truyền xa và thích hợp với đầu vào của bộ điều khiển Trong thực tế nhiều bộ chuyển đổi đo chuẩn được tích hợp luôn cả phần tử cảm biến, vì vậy khái niệm 'Trasmitter' cũng được dùng để chỉ các thiết bị đo

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

Lưu lượng kế Thiết bị đo áp suất

Chất lượng và khả năng ứng dụng của một thiết bị đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố mà ta khái quát là các đặc tính thiết bị đo, bao gồm đặc tính vận hành, đặc tính tĩnh và đặc tính động học Đặc tính vận hành bao gồm các chi tiết về khả năng đo chi tiết vận hành và tác động môi trường Đặc tính tĩnh biểu diễn quan

hệ giữa đại lượng đầu vào và giá trị tín hiệu đầu ra của thiết bị đo ở trạng thái xác lập, trong khi đặc tính động học biểu diễn quan hệ giữa biến thiên đầu vào

và tín hiệu ra theo thời gian Đặc tính tĩnh liên quan tới độ chính xác khi giá trị của đại lượng đo không thay đổi hoặc thay đổi rất chậm Ngược lại, đặc tính động học liên quan tới khả năng phản ứng của thiết bị đo khi đại lượng đo thay đổi nhanh

H

H

k y( s )

so với hằng số thời gian của quá trình công nghệ, hay nói cách khác là phép đo

có động học nhanh hơn nhiều so với động học của quá trình, ta có thể bỏ qua quán tính của thiết bị đo và coi đặc tính của thiết bị đo như một khâu khuếch đại thuần tuý Ngược lại, nếu hằng số thời gian này không nhỏ hơn nhiều so với hằng số thời gian của quá trình, ta có hai phương án giải quyết:

+ Đưa mô hình động học của thiết bị đo vào mô hình quá trình

+ Vẫn chỉ sử dụng mô hình tĩnh của thiết bị đo và coi sai số động gây ra

là nhiễu đo

Hàm truyền đạt thiết bị đo mức nước lò hơi là bộ chuyển đổi EJA 210A

của hãng YOKOGAWA có dải đo 0  1000mm, tương ứng cho tín hiệu đầu ra dạng dòng liên tục 4  20mA Thiết bị này có hàm truyền đạt là một khâu quán tính bậc nhất

( )1

van tỷ lệ, van on/off, tiếp điểm, sợi đốt, băng tải Phần tử điều khiển được truyền

năng lượng truyền động từ cơ cấu chấp hành, ví dụ các hệ thống động cơ, cuộn hút và cơ cấu khí nén, thuỷ lực Trong các hệ thống điều khiển quá trình thì hầu hết biến điều khiển là lưu lượng, vì thế van điều khiển là thiết bị chấp hành tiêu biểu nhất và quan trọng nhất Van điều khiển cho phép điều chỉnh lưu lượng của một lưu chất qua đường ống dẫn tỉ lệ với tín hiệu điều khiển Trong nội dung sau đây ta tập trung vào các yếu tố cơ bản của một van điều khiển

Cấu trúc cơ bản

Một van điều khiển bao gồm thân van được ghép nối với một cơ chế chấp hành cùng với các phụ kiện liên quan Trên hình 2.6 là hình ảnh mặt cắt của một van khí nén với cơ chế truyền động màng rung - lò xo

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

Phần thân van cùng các phụ kiện được gắn với đường ống, đóng vai trò là phần tử điều khiển Độ mở van và lưu lượng qua van được xác định bởi hình dạng và vị trí chốt van Ta có thể phân loại van dựa theo thiết kế và kiểu chuyển động của chốt van như sau:

Van cầu: Chốt trượt có đầu hình cầu hoặc hình nón, chuyển động lên xuống

- Van nút: Chốt xoay hình trụ hoặc một phần hình trụ

- Van bi: Chốt xoay hình cầu hoặc một phần hình cầu

- Van bướm: Chốt xoay hình đĩa

Cơ cấu chấp hành van có nhiệm vụ cung cấp năng lượng và tạo ra chuyển động cho chốt van thông qua cầu van hoặc trục van Phần lớn van điều khiển công nghiệp được cấp nguồn khí nén, song một số nguồn năng lượng khác như

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