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 coi phận quan trọng nhà máy nhiệt điện, định tới tin cậy, an toàn suất nhà máy Hơn nữa, mức nước bao có biến động theo công suất phụ tải, điều gây nhiều rủi ro hệ thống Nếu mức nước giảm xuống mức cho phép làm cho ống dẫn nhiệt dẫn tới hỏng thiết bị nhà máy Mặt khác, mức nước bao cao việc điều khiển nhiệt độ độ ẩm nước khó khăn, có khả dẫn tới làm hỏng tuabin Vì vậy, việc điều khiển mức nước bao yêu cầu quan trọng Trong báo này, mức nước bình xác định tập trung phụ thuộc vào lưu lượng nước cấp lưu lượng thoát mà bỏ qua ảnh hưởng nhiệt, áp suất… Bộ điều khiển PI sử dụng đơn giản phổ biến Các kết thu rõ khác biệt việc điều khiển mức nước tín hiệu, hai tín hiệu, ba tín hiệu Các kết tích cực hỗ trợ nhiều cho nghiên cứu 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 GIỚI THIỆU CHUNG Bao thiết bị mà xảy trình đốt cháy nhiên liệu làm biến nước từ thể lỏng thành hơi, biến lượng nhiên liệu thành nhiệt dòng Khi nước chuyển thành thể tích tăng lên khoảng 1600 lần, tạo lực mạnh làm quay turbine để tạo điện năng.[1] cho thấy nhà máy, mức nước bao chưa kiểm soát hoàn toàn với thời gian độ độ điều chỉnh lớn, việc điều khiển mức nước bao cần thiết Trong nhà máy nhiệt điện, bao giữ vai trò quan trọng, ví trái tim-bộ phận quan trọng nhà máy phát điện.Bao định trực tiếp tới công suất phát điện, độ bền an toàn nhà máy.Mực nước bao cao hay thấp,vượt tầm kiểm soát gây hậu nghiêm trọng vận hành nhà máy điện Để kiểm soát công suất phụ tải điện, chống cháy nổ (khi mực nước bao xuống thấp) hay bảo vệ cánh tuabin (khi mực nước bao cao) người ta phải xây dựng điều khiển nhằm tối ưu hóa hiệu suất làm việc bao nhà máy điện.Một số cách xây dựng điều khiển PID với vòng phản hồi tín hiệu khác Hiện nay, giới có nhiều điều khiển mức nước bao cho kết tốt với thời gian ổn định nhanh độ điều chỉnh thấp… Hiện có nhiều tác giả đưa chiến thuật thiết kế điều khiển khác nhau, phương pháp (IMC) [2] nâng cao hiệu suất điều khiển mức nước thông thường, phương pháp tối ưu LQR [1] có khả nâng cao hiệu suất việc kiếm soát áp suất mức nước boiler Ngoài ta, đề cập đến điều khiển bền H∞ H∞ vững sử dụng mix - sensitivity [3] loop shaping [4] để tiếp cận, phương pháp điềub khiển dự báo [5] mờ logic [7] phi tuyến trượt điều khiển chế độ [8] Trong báo này, đề xuất kĩ thuật xây dựng điều khiển mức nước bao với thông tin phản hồi đa biến nhằm xây dựng hệ thống cung cấp kiểm soát mức nước chặt chẽ nhất, có tính ổn định cao, hạn chế thời gian chết để tối ưu hóa hiệu suất suất nhà máy BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN: a Phương trình cân vật chất bao hơi: ∂ρ ' ∂ρ dH W−D ∂ρ '' = − ( V − Vn ) + Vn ÷ + dτ ( ρ '− ρ '').F ( ρ '− ρ '') F ∂ρ ' ∂ρ ∂τ + dVh dVhbh + F dτ dτ ÷ (1) Trong đó: ρ' : khối lượng riêng nước cấp, kg / m3 ρ '' : khối lượng riêng nước chế độ sôi, kg / m3 Vn Vh , cho lò, : Thể tích phần chứa nước phần chứa m3 F: diện tích bình bao hơi, W: lưu lượng nước cấp, m2 kg / s D: lưu lượng nước khỏi bao hơi, kg / s Các yếu tố ảnh hưởng đến mức nước bao Qua phương trình cân vật chất ta nhận thấy yếu tố lưu lượng nước cấp, lưu lượng thoát ra, nhiệt độ bao hơi, áp suất bao ảnh hưởng trực tiếp đến hình thành công suất phát điện nhà máy nhiệt điện Lưu lượng nước cấp ảnh hưởng đến mức nước bao cách trực tiếp, lưu lượng nước tăng mức nước bao tăng, lưu lượng nước cấp giảm mức nước bao giảm Theo lý thuyết quan hệ tuyến tính, nhiên thực tế ảnh hưởng nhiều yếu tố tốc độ bay hơi nước, chiều dài ống nước từ van điều chỉnh đến bao hơi… nên có khoảng thời gian trễ Nên việc tính toán gặp nhiều khó khăn Lưu lượng thoát khỏi bao yếu tố quan trọng việc điều khiển mức nước bao Khi lượng thoát nhiều làm cho mức nước giảm xuống, áp suất bao tăng lên, nên việc điều khiển lượng thoát vô cần • thiết Giả sử lượng nhiệt sinh buồng lửa lò tăng lên, áp suất không đổi làm cho lượng sinh hệ thống tăng lên, dẫn đến việc tách tương ứng lượng nước đưa vào bao dẫn tới mức nước bao tăng Sau đó, nhiệt sinh tăng nên lượng khỏi lò tăng Tuy nhiên lượng nước cấp vào lò không đổi, điều dẫn đến cân vật chất bị phá vỡ làm giảm mức nước bao Khi áp suất bao tăng lên đồng thời nhiệt độ nước bão hòa lò tăng dẫn đến lượng sinh hệ thống giảm, làm mức nước bao • giảm ngược lại Từ việc nhận định ảnh hưởng yếu tố đến mức nước bao hơi, phức tạp việc thiết kế điều khiển PID cho bao ta nhận thấy cần loại bỏ số biến mà loại bỏ không ảnh hưởng lớn đến chất lượng hệ thống Mặt khác, theo đánh giá yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến mức nước bao ta thấy có hai yếu tố ảnh hưởng trức tiếp đến độ cao cột nước bao lưu lượng nước cung cấp lưu lượng thoát Nên báo cáo chúng em loại bỏ hai yếu tố ảnh hưởng đến mức nước bao nhiệt lượng sinh buồng lửa áp suất bao Phương trình cân vật chất hệ thống điều khiển mức nước bao sau rút gọn là: • dH W−D = dτ ( ρ '− ρ '') F (2) TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN a Hàm truyền đối tượng thực tế Trong hệ thống điều chỉnh mức nước bao có đối tượng cần nhận dạng qua thực tế van điều chỉnh nước cấp, đối tượng mức nước bao cảm biến Chọn hàm truyền van Trong báo này, coi van định cỡ tốt quan hệ lưu lượng độ mở van tuyến tính hàm truyền van coi khâu quán tính bậc có trễ, ta coi gần hàm truyền van khâu quán tính bậc dạng: (3a) Kv Chọn hệ số khuếch đại = 1.69 thời gian trễ Kv =3.15 ta hàm truyền van cấp nước là: (3b) Chọn hàm truyền cảm biến Khi cảm biến hoạt động giá trị đại lượng đo thay đổi nhanh theo thời gian Quan hệ phụ thuộc tín hiệu đầu với đại lượng đo biến thời gian gọi đặc tính động học Đặc tính động học hầu hết cảm biến mô tả phương trình vi phân cấp cấp hai Coi đặc tính cảm biến tuyến tính, động học cảm biến biểu diễn với khâu quán tính bậc nhất.Trong chọn cảm biến lưu lượng nước cấp lưu lượng có dạng: (4a) Và cảm biến mức nước bao có dạng: (4b) Hàm truyền đạt mức nước bao Từ đường đặc tính đối tượng mức nước bao hơi, ta thấy đối tượng khâu tích phân quán tính có trễ không tự cân bằng, có dạng (5a) Với thời gian trễ có xung tác động ngắn so với số thời nên ta coi gần đối tượng mức nước bao khâu tích phân quán tính bậc nhất.Trong báo này, hàm truyền bao có dạng: Trong đó: hệ số khuếch đại hệ : thời gian trễ có xung tác động : số thời gian (5b) b Xây dựng điều khiển Vì thành phần vi phân điều khiển PID rất• nhạy với cá c nhiễu đo lường nên trường hợp xây dựng điều khiển PI điều khiển mức nước nhà máy với phản hồi xung tín hiệu khác Sơ đồ điều khiển Bộ điều khiển xung tín hiệu Hệ thống điều chỉnh có tín hiệu vào điều chỉnh mức nước bao hơi, điều chỉnh thay đổi độ mở van nước cấp để thay đổi lưu lượng nước cấp vào lò Hình 1.Sơ đồ điều khiển xung tín hiệu • • Thiết kế thông số PI • • • Hàm truyền hệ hở: Hình 2.Bộ điều khiển xung tín hiệu • • Gh = 1.69*0.08*0.025 s(15s + 1)(3.15s + 1)(0.5s + 1) • (7) • • Xấp xỉ hàm truyền dạng tích phân quán tính bậc nhất: Gh = Chọn hàm truyền PI theo phương pháp tối ưu đối xứng: R = k p 1 + ÷ Ti s 1.69*0.08*0.025 k = s (15s + 1) s.(Ts + 1) chất lượng trình điều khiển • Sơ đồ điều khiển • (8) • Trong đó: = 9,87; 2kT Ti = 4T = 60 kp = • Bộ điều khiển xung tín hiệu • Bộ điều chỉnh nước cấp có hai tín hiệu vào tín hiệu mức nước tín hiệu khỏi lò Khi lưu lượng từ lò thay đổi điều chỉnh tác động trước mức nước bao thay đổi, nâng cao • Hình Sơ đồ điều khiển xung tín hiệu • • Thiết kế điều khiển PI • • • Thiết kế vòng điều khiển trong: • Hàm truyền hệ hở: 1.69* 0.23 k Gh = = (0.5s + 1)(3.15s + 1) (T1s + 1)(T2 s + 1) • Hình Bộ điều khiển xung tín hiệu • Gh = (9a) • Chọn PI: R = k p 1 + ÷ Ti s kp = • • • 0.08*0.025 k = s(15s + 1) s(Ts + 1) • 0.5s + (9d) Chọn PI theo phương pháp tối ưu đối xứng: Ti = 4T = 60 = 2.57 2k T1 kp = Ti = T2 = 3.15 • (9b) Thiết kế vòng điều khiển ngoài: • Bỏ qua thành phần nhỏ ta được: ≈ 9.87 2k Ti Bộ điều khiển xung tín hiệu • 0.08*0.025 Gh = s (15s + 1)(0.5s + 1) (9c) • Sơ đồ điều khiển Bộ điều chỉnh ba xung tín hiệu vào tín hiệu mức nước bao hơi, tín hiệu lưu lượng tín hiệu lưu lượng nước cấp vào lò • • • Hình Sơ đồ điều khiển xung tín hiệu Thiết kế điều khiển PI: • • • Hình Bộ điều khiển xung tín hiệu Bộ điều khiển vòng giống hệt vòng, nhiên có nhận phản hồi từ tín hiệu lưu lượng thay đổi • • • KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC • 4.1 Điều khiển mức nước bao chiều cao mực nước bao thay đổi: • • Hình Kết điều khiển chiều cao mức nước bao thay đổi • • • • • • • • • • • • • • Bảng So sánh sai lệch chiều cao mức nước thay đổi • Ta thấy điều chỉnh tín hiệu tương đối tốt • Bộ điều chỉnh 2,3 tín hiệu trường hợp rõ ràng hiệu so với điều chỉnh tín hiệu • Vì vậy, trình mà mức nước bao thay đổi lớn (ví dụ bắt đầu khởi động hệ thống, mức nước bao chưa có), điều chỉnh tín hiệu nên sử dụng • 4.2 Điều chỉnh mức nước bao lưu lượng thay đổi: • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Hình Kết điều khiển công suất phụ tải thay đổi • Ta có bảng: • độ điều chỉnh nhỏ (nhỏ gần 20 lần so với điều khiển tín hiệu) Bảng So sánh sai lệch công suất phụ tải thay đổi • • Bộ điều khiển tín hiệu có ưu điểm rõ rệt thời gian độ ngắn (nhỏ lần so với điều khiển tín hiệu) • • • • • Do vậy, với hệ thống có phụ tải thay đổi nhiều, lưu lượng thay đổi nhiều điều khiển tín hiệu nên sử dụng Các kết mô xây dựng Matlab/Simulink phần ảnh hưởng việc thay đổi công suất phụ tải tới mực nước bao nhà máy điện Kết nghiên cứu công suất phụ tải thay đổi trình đáp ứng mô hình khác khác nhau.Trong với mô hình điều khiển trạng thái,quá trình độ diễn nhanh độ điều chỉnh- KẾT LUẬN không lớn, tốt cho điều khiển • Sau so sánh với số điều khiển khác giới,kết thu từ điều khiển tín hiệu tốt Mặc dù vậy, nghiên cứu cần tiếp tục triển khai với nội dung sau: Cung cấp số liệu thực tế để so sánh rõ với kết mô Nghiên cứu tìm hiểu điều khiển khác (bộ điều khiển dự báo, điều khiển mờ, điều khiển thích nghi,…) kết tốt • • • 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 [...]... ra thay đổi nhiều thì bộ điều khiển 3 tín hiệu nên được sử dụng 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... điều chỉnh- 5 KẾT LUẬN 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. .. quả điều khiển khi công suất phụ tải thay đổi • Ta có bảng: • độ quá điều chỉnh rất nhỏ (nhỏ hơn gần 20 lần so với bộ điều khiển 1 tín hiệu) 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 • • • • • Do vậy, với những hệ thống có phụ tải thay đổi nhiều, lưu lượng hơi. .. 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 • • • Tài liệu tham khảo • [1] Ahmed El-Guindy, Simon Runzi and Kai Michels, “Optimizing drum-boiler water level control performance: A practical