Điều khiển mức nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện

Bài báo nghiên cứu tổng quan về hệ thống mức nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện. Bằng việc áp dụng các bộ điều khiển khác nhau, các kết quả cũng cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong việc ổn định hệ thống mức nước.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MỨC NƯỚC BAO HƠI

TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

BUILDING MODEL AND CONTROLER OF THE BOILER’S WATTER LEVEL

IN THE THERMAL POWER PLANT

Nguyễn Thế Huân – Vũ Đức Thuận – Vũ Đăng Thủy

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tóm tắt:

Bao hơi được coi là bộ phận quan trọng nhất của nhà máy nhiệt điện, nó quyết định tới sự tin cậy, an toàn

và năng suất của nhà máy Hơn nữa, mức nước trong bao hơi có sự biến động theo công suất của phụ tải, điều này gây ra nhiều rủi ro trong hệ thống Nếu mức nước giảm xuống quá mức cho phép sẽ làm cho các ống dẫn hơi quá nhiệt dẫn tới hỏng các thiết bị trong nhà máy Mặt khác, nếu mức nước trong bao hơi quá cao thì việc điều khiển nhiệt độ và độ ẩm hơi nước rất khó khăn, có khả năng dẫn tới làm hỏng tuabin Vì vậy, việc điều khiển mức nước trong bao hơi là một yêu cầu quan trọng Trong bài báo này, mức nước trong bình được xác định là tập trung phụ thuộc vào lưu lượng nước cấp và lưu lượng hơi thoát ra mà bỏ qua ảnh hưởng bởi nhiệt, áp suất… Bộ điều khiển PI được sử dụng bởi sự đơn giản và phổ biến của nó Các kết quả thu được đã chỉ rõ sự khác biệt giữa việc điều khiển mức nước bằng một tín hiệu, hai tín hiệu,

ba tín hiệu Các kết quả này là tích cực và sẽ hỗ trợ nhiều cho các nghiên cứu tiếp theo

Từ khóa:bao hơi, lưu lượng nước, công suất phụ tải.

Abstract:

Steam boiler is considered the most important part of thermal power plants It is critical to the reliability, safety and productivity of the plant However, the water level in the boiler absorbs the power fluctuations

of the load, which causes a lot of risk in the system If the water level drops excessively, it will make the superheated steam pipes lead to broken equipment in the plant On the other hand, if the water level in the steam drum is too high, the control of temperature and moisture vapor will be very difficult, potentially leading to damage of the turbine Therefore, the water level control in the steam boiler drum is an important requirement In this paper, the water level in the bottle depends on the flow of water and the escape of steam that bypasses the system and is affected by temperature and pressure PI controllers are used because of their simplicity and popularity The results obtained clearly show the difference between the water level control by a variety of signals These results are positive and will support more research for the next test.

Keywords: steam boiler, the flow of water, the power fluctuations of the load.

1 GIỚI THIỆU CHUNG

Bao hơi là một thiết bị mà trong đó xảy ra quá trình

đốt cháy nhiên liệu làm biến hơi nước từ thể lỏng

thành hơi, biến năng lượng của nhiên liệu thành

nhiệt năng của dòng hơi Khi nước được chuyển

thành hơi thể tích sẽ tăng lên khoảng 1600 lần, tạo

ra một lực rất mạnh làm quay turbine để tạo ra điện năng.[1] cho chúng ta thấy hiện nay trong các nhà máy, mức nước bao hơi chưa được kiểm soát hoàn toàn với thời gian quá độ và độ quá điều chỉnh lớn, việc điều khiển mức nước bao hơi là rất cần thiết

Trong nhà máy nhiệt điện, bao hơi giữ một vai trò

hết sức quan trọng, nó được ví như là trái tim-bộ

phận quan trọng nhất của nhà máy phát điện.Bao

hơi quyết định trực tiếp tới công suất phát điện, độ

bền và an toàn của nhà máy.Mực nước trong bao

hơi khi quá cao hay quá thấp,vượt ngoài tầm kiểm

soát đều gây ra những hậu quả nghiêm trọng trong

sự vận hành của nhà máy điện Để kiểm soát được

công suất phụ tải điện, chống cháy nổ (khi mực

nước bao hơi xuống quá thấp) hay bảo vệ cánh

tuabin (khi mực nước bao hơi quá cao) thì người ta

phải xây dựng bộ điều khiển nhằm tối ưu hóa hiệu

suất làm việc bao hơi cũng như nhà máy điện.Một

trong số các cách đó là xây dựng bộ điều khiển PID

với các vòng phản hồi tín hiệu khác nhau Hiện

nay, trên thế giới đã có nhiều bộ điều khiển mức

nước bao hơi cho ra những kết quả khá tốt với thời

gian ổn định nhanh và độ quá điều chỉnh thấp…

Hiện nay có nhiều tác giả đưa ra các chiến thuật

thiết kế bộ điều khiển khác nhau, như phương pháp

(IMC) của [2] đã nâng cao hiệu suất của bộ điều

khiển mức nước thông thường, và phương pháp tối

ưu LQR [1] có khả năng nâng cao hiệu suất của

việc kiếm soát áp suất và mức nước trong boiler

Ngoài ta, chúng ta có thể đề cập đến điều khiển bền

vững sử dụng H mix - sensitivity [3] và H

-loop shaping [4] để tiếp cận, phương pháp điều

khiển dự báo [5] mờ logic [7] và phi tuyến trượt

điều khiển chế độ [8]

Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một kĩ thuật

xây dựng bộ điều khiển mức nước bao hơi với

thông tin phản hồi đa biến nhằm xây dựng một hệ

thống cung cấp kiểm soát mức nước chặt chẽ nhất,

có tính ổn định cao, hạn chế thời gian chết để có

thể tối ưu hóa hiệu suất cũng như năng suất của nhà

máy

2 BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN:

a Phương trình cân bằng vật chất trong bao hơi:

0

1

h hbh

 

(1) Trong đó:

'

 : khối lượng riêng của nước cấp, kg m/ 3

''

 : khối lượng riêng của nước ở chế độ sôi,

3

/

kg m

n

V , V h

: Thể tích phần chứa nước và phần chứa hơi cho lò, m3

F: diện tích của bình bao hơi, m2 W: lưu lượng nước cấp, kg s/ D: lưu lượng của hơi nước ra khỏi bao hơi, kg s/

b Các yếu tố ảnh hưởng đến mức nước trong bao hơi

Qua phương trình cân bằng vật chất ta nhận thấy các yếu tố lưu lượng nước cấp, lưu lượng hơi thoát

ra, nhiệt độ bao hơi, và áp suất của bao hơi ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành hơi và công suất phát điện của nhà máy nhiệt điện

Lưu lượng nước cấp luôn ảnh hưởng đến mức nước trong bao hơi một cách trực tiếp, nếu lưu lượng nước tăng thì mức nước trong bao hơi tăng, còn nếu lưu lượng nước cấp giảm thì mức nước trong bao hơi giảm Theo lý thuyết thì quan hệ này là tuyến tính, tuy nhiên trong thực tế do ảnh hưởng của nhiều yếu tố như tốc độ bay hơi của hơi nước, chiều dài ống nước từ van điều chỉnh đến bao hơi… nên có một khoảng thời gian trễ nào đó Nên việc tính toán gặp nhiều khó khăn

Lưu lượng hơi thoát ra khỏi bao hơi cũng là yếu tố quan trọng trong việc điều khiển mức nước của bao hơi Khi lượng hơi thoát ra nhiều sẽ làm cho mức

nước giảm xuống, áp suất bao hơi tăng lên, nên

việc điều khiển lượng hơi thoát ra vô cùng cần

thiết

Giả sử lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa của lò

hơi tăng lên, áp suất không đổi sẽ làm cho lượng

hơi sinh ra trong hệ thống tăng lên, dẫn đến việc

tách tương ứng một lượng nước đưa vào bao hơi

dẫn tới mức nước trong bao hơi tăng Sau đó, nhiệt

sinh ra tăng nên lượng hơi ra khỏi lò tăng Tuy

nhiên lượng nước cấp vào lò không đổi, điều này

dẫn đến cân bằng vật chất bị phá vỡ làm giảm mức

nước trong bao hơi

Khi áp suất bao hơi tăng lên đồng thời nhiệt độ

nước bão hòa trong lò tăng dẫn đến lượng hơi sinh

ra trong hệ thống giảm, làm mức nước trong bao

hơi sẽ giảm và ngược lại

Từ việc nhận định ảnh hưởng của các yếu tố đến

mức nước của bao hơi, và sự phức tạp của việc

thiết kế bộ điều khiển PID cho bao hơi ta nhận thấy

cần loại bỏ một số biến mà khi loại bỏ không ảnh

hưởng lớn đến chất lượng hệ thống Mặt khác, theo

đánh giá những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến

mức nước trong bao hơi ta thấy có hai yếu tố ảnh

hưởng trức tiếp đến độ cao cột nước trong bao hơi

là lưu lượng nước cung cấp và lưu lượng hơi thoát

ra Nên trong bài báo cáo này chúng em sẽ loại bỏ

hai yếu tố ảnh hưởng ít hơn đến mức nước trong

bao hơi đó là nhiệt lượng sinh ra trong buồng lửa

và áp suất trong bao hơi

Phương trình cân bằng vật chất của hệ thống điều

khiển mức nước trong bao hơi sau khi đã rút gọn là:

W

( ' '')

d   F





3 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN

a Hàm truyền các đối tượng thực tế

Trong hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi có

các đối tượng cần nhận dạng qua thực tế đó là van

điều chỉnh nước cấp, đối tượng mức nước bao hơi

và các cảm biến

 Chọn hàm truyền của van Trong bài báo này, chúng ta coi như van được định

cỡ tốt và quan hệ giữa lưu lượng ra và độ mở van là tuyến tính thì hàm truyền của van được coi là một khâu quán tính bậc nhất có trễ, ta coi gần đúng hàm truyền của van là khâu quán tính bậc nhất dạng:

W ( s)= Kv

Tv∗s+1 (3a) Chọn hệ số khuếch đại Kv = 1.69 và thời gian trễ

Kv =3.15 ta được hàm truyền của van cấp nước là:

W ( s)= 1.69

3.15∗s +1 (3b)

 Chọn hàm truyền của cảm biến Khi các cảm biến hoạt động thì các giá trị đại lượng

đo thay đổi nhanh theo thời gian Quan hệ phụ thuộc giữa tín hiệu đầu ra với đại lượng đo và biến thời gian được gọi là đặc tính động học Đặc tính động học của hầu hết các cảm biến được mô tả bằng một phương trình vi phân cấp một hoặc cấp hai Coi đặc tính của cảm biến là tuyến tính, thì động học của cảm biến có thể được biểu diễn với một khâu quán tính bậc nhất.Trong bài này chúng

ta chọn các cảm biến lưu lượng nước cấp và lưu lượng hơi ra có dạng:

G (s )= 0.23 0.5 s +1 (4a)

Và cảm biến mức nước trong bao hơi có dạng:

G (s )= 0.025 0.5 s +1 (4b)

 Hàm truyền đạt của mức nước bao hơi

Từ các đường đặc tính cả đối tượng mức nước bao hơi, ta thấy đối tượng là khâu tích phân quán tính

có trễ và không tự cân bằng, có dạng

W ( s)= Ko∗e−τss

s(¿∗s+1) (5a)

Trong đó:Ko là hệ số khuếch đại của hệ

τs : thời gian trễ khi có xung tác động

¿: hằng số thời gian

Với thời gian trễ khi có xung tác động là rất ngắn

so với hằng số thời nên ta coi gần đúng đối tượng

mức nước bao hơi là khâu tích phân quán tính bậc

nhất.Trong bài báo này, hàm truyền bao hơi có dạng:

W ( s)= 0.08

s(15 s+1) (5b)

b Xây dựng bộ điều khiển

Vì thành phần vi phân trong bộ điều khiển PID rất

nhạy với các nhiễu đo lường nên trong trường hợp

này chúng ta sẽ xây dựng bộ điều khiển PI điều

khiển mức nước trong nhà máy lần lượt với sự

phản hồi của các xung tín hiệu khác nhau

1 Bộ điều khiển 1 xung tín hiệu

Hệ thống điều chỉnh này có một tín hiệu vào bộ

điều chỉnh đó là mức nước bao hơi, bộ điều chỉnh

sẽ thay đổi độ mở của van nước cấp để thay đổi lưu

lượng nước cấp vào lò

 Sơ đồ điều khiển

Hình 1.Sơ đồ điều khiển 1 xung tín hiệu

 Thiết kế thông số bộ PI

Hình 2.Bộ điều khiển 1 xung tín hiệu

Hàm truyền hệ hở:

1.69*0.08*0.025

s(15s 1)(3.15 1)(0.5s 1)

h

G

s



   (7)

Xấp xỉ hàm truyền về dạng tích phân quán tính bậc nhất:

1.69*0.08*0.025 (15 1) ( 1)

h

k G

s s s Ts

Chọn hàm truyền bộ PI theo phương pháp tối ưu

đối xứng:

1

p

i

R k

T s

 

   

  (8)

Trong đó:

1

9,87;

2

4 60

p

i

k

kT

T T

 

 

3 Bộ điều khiển 2 xung tín hiệu

Bộ điều chỉnh nước cấp có hai tín hiệu vào đó là tín

hiệu mức nước và tín hiệu hơi ra khỏi lò Khi lưu

lượng hơi từ lò thay đổi bộ điều chỉnh sẽ tác động

trước khi mức nước trong bao hơi thay đổi, do đó

nâng cao được chất lượng của quá trình điều khiển

 Sơ đồ điều khiển

Hình 3 Sơ đồ điều khiển 2 xung tín hiệu

 Thiết kế bộ điều khiển PI

Hình 4 Bộ điều khiển 2 xung tín hiệu

 Thiết kế vòng điều khiển trong:

Hàm truyền hệ hở:

1.69*0.23

(0.5 1)(3.15 1) ( 1)( 1)

h

k G

s s T s T s

    (9a)

2

1 1 1 2.57

2 3.15

p i

p

i

R k

T s k

k T

T T

 

   

 

 Thiết kế vòng điều khiển ngoài:

0.08*0.025 (15 1)(0.5 1)

h

G

s s s



  (9c)

Bỏ qua thành phần 0.5s  khá nhỏ ta được:1

(15 1) ( 1)

h

k G

s s s Ts

  (9d) Chọn bộ PI theo phương pháp tối ưu đối xứng:

4 60

1

9.87

2

i

p

i

T T

k

k T

 

4 Bộ điều khiển 3 xung tín hiệu

Bộ điều chỉnh ba xung tín hiệu vào đó là tín hiệu mức nước bao hơi, tín hiệu lưu lượng hơi và tín hiệu lưu lượng nước cấp vào lò

 Sơ đồ điều khiển

Hình 5 Sơ đồ điều khiển 3 xung tín hiệu

 Thiết kế bộ điều khiển PI:

Hình 6 Bộ điều khiển 3 xung tín hiệu

Bộ điều khiển 3 vòng giống hệt 2 vòng, tuy nhiên có nhận phản hồi từ tín hiệu lưu lượng hơi thay đổi

4 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

4.1 Điều khiển mức nước bao hơi khi chiều cao mực nước trong bao hơi thay đổi:

Hình 7 Kết quả điều khiển khi chiều cao mức nước bao hơi thay đổi

Bảng 1 So sánh sai lệch khi chiều cao mức nước thay

đổi

Ta thấy bộ điều chỉnh 1 tín hiệu tương đối tốt

Bộ điều chỉnh 2,3 tín hiệu trong trường hợp này rõ ràng kém hiệu quả hơn so với bộ điều chỉnh 1 tín hiệu

Vì vậy, trong các quá trình mà mức nước trong bao hơi thay đổi lớn (ví dụ khi bắt đầu khởi động hệ thống, mức nước trong bao hơi chưa có), bộ điều chỉnh 1 tín hiệu nên được sử dụng

4.2 Điều chỉnh mức nước bao hơi khi lưu lượng hơi ra thay đổi:

Thời gian

quá độ

Độ quá điều chỉnh

Số lần dao động

1 tín

hiệu

2, 3

tín

hiệu

Hình 8 Kết quả điều khiển khi công suất phụ tải thay đổi

Ta có bảng:

Bảng 2 So sánh sai lệch khi công suất phụ tải thay đổi

Bộ điều khiển 3 tín hiệu ở đây có ưu điểm rõ rệt bởi thời gian quá độ ngắn (nhỏ hơn 3 lần so với bộ điều khiển 1 tín hiệu) và độ quá điều chỉnh rất nhỏ (nhỏ hơn gần 20 lần so với bộ điều khiển 1 tín hiệu)

Do vậy, với những hệ thống có phụ tải thay đổi nhiều, lưu lượng hơi ra thay đổi nhiều thì bộ điều khiển 3 tín hiệu nên được sử dụng

5 KẾT LUẬN

Các kết quả mô phỏng đã được xây dựng trên

Matlab/Simulink ở phần trên đã chỉ ra ảnh hưởng

của việc thay đổi công suất phụ tải tới mực nước

bao hơi trong nhà máy điện Kết quả nghiên cứu đã

chỉ ra khi công suất phụ tải thay đổi thì quá trình

đáp ứng của các mô hình khác nhau thì khác

nhau.Trong đó với mô hình điều khiển 3 trạng thái,

quá trình quá độ diễn ra nhanh hơn và độ quá điều

chỉnh không lớn, tốt cho sự điều khiển

Sau khi so sánh với một số bộ điều khiển khác trên thế giới,kết quả thu được từ bộ điều khiển 3 tín hiệu là tốt Mặc dù vậy, nghiên cứu này vẫn cần tiếp tục được triển khai với các nội dung sau:

- Cung cấp các số liệu thực tế để có thể so sánh rõ hơn với các kết quả mô phỏng

- Nghiên cứu tìm hiểu về các bộ điều khiển khác (bộ điều khiển dự báo, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi,…) để có thể cho ra kết quả tốt hơn

Thời gian

quá độ

Độ quá điều chỉnh

Số lần dao động

1 tín hiệu 250s 0.52 2

2 tín hiệu 150s 0.19 6

3 tín hiệu 50s 0.03 6

Tài liệu tham khảo

[1] Ahmed El-Guindy, Simon Runzi and Kai Michels, “Optimizing drum-boiler water level control performance: A practical approach”, University of Bremen, Institute of Automation (IAT), 28359 Bremen, Germany

[2] K Ghousiya Begum1 , D.Mercy2 , H Kiren Vedi3 , M Ramathilagam4, “An Intelligent Model Based Level Control of Boiler Drum”, International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, Volume 3, Issue 1, January 2013

[3] G Pellegrinetti and J Bentsman, ”H∞ controller design for boilers”, International Journal of Robust and Nonlinear Control, 4:645-671, 1994

[4] Tan, W., Marquez, H J., Chen, T and Gooden, R K., ”H∞ control design for an industrial boiler”, Procceeding of ACC Conference, 2537-2542, 2001

[5] M Xu , S Li and W Cai, ”Cascade generalized predictive control strategy for boiler drum level”, ISA Trans., 44(3):399-411, 2005

[6] Chin Chen , “Modeling a thermal power plant drum-type boiler for control: a parameter identification approach”,Iowa State University

[7] Vue Wei-jie, Liu Yong-xin, ”Boiler Drum Level controlled by Fuzzy Self-adapting PID”, Second Asia-Pacific Conference on Computational Intelligence and Industrial Applications, 2:381-384, 2009

[8] H Moradi, M Saffar-Avval, F Bakhtiari-Nejad, ”Sliding mode control of drum water level in an industrial boiler unit with time varying parameters: a comparison with H-infinity robust control approach”, Journal of Process Control, 22:1844-1855, 2012