Cải thiện chất lượng điều khiển nhiệt độ mô hình nhà máy nhiệt điện

Với các bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển quá trình có chất lượng thấp như thích nghi, không bền vững,tín hiệu điều khiển không bị chặn.Việc đưa ra phương pháp điều khiển hiện đại áp

Trang 1

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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

GIÁP THỊ THU DUNG

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ

MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

Chuyên ngành:Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa

Mã số:60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TRẦN XUÂN MINH

THÁI NGUYÊN, 2015

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Giáp Thị Thu Dung

Sinh ngày: 24 tháng 02 năm 1990

Học viên lớp cao học khoá 16- Kỹ thuật điều khiển tự động hóa –Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên - Đại học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Nhà máy Z115-Thành phố Thái Nguyên

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

Giáp Thị Thu Dung

Trang 3

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 PGS.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 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

Giáp Thị Thu Dung

Trang 4

MỤC LỤC

Trang Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt vi

Danh mục các hình vẽ và đồ thị vii

MỞ ĐẦU 1

NỘI DUNG Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN TẠI TRUNG TÂM THÍ NGHIỆM ĐIỆN - ĐIỆN TỬ 3

1.1 Tổng quan về nhà máy nhiệt điện 3

1.1.1 Giới thiệu chung 3

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện 5

1.2 Mô hình nhà máy nhiệt điện 6

1.2.1 Giới thiệu chung 6

1.2.2 Mục đích của các bài thí nghiệm trên mô hình nhà máy nhiệt điện 8 1.2.3 Lò hơi và hệ điều khiển lò hơi 9

1.2.3.1 Cấu tạo của lò hơi 9

1.2.3.2 Phân loại lò hơi 10

1.2.3.3 Nguyên lý hoạt động của lò hơi 12

1.2.3.4 Quá trình biên đồi năng lượng trong lò hơi 13

1.2.3.5 Hệ thống điều khiển lò hơi 14

1.2.4 Bao hơi và hệ điều khiển bao hơi 20

1.2.4.1 Bao hơi 20

1.2.4.2 Hệ thống điều khiển bao hơi 21

Trang 5

1.2.5 Thiết bị gia nhiệt 22

Chương 2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 2.1 Đặt vấn đề 25

2.2 Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển mô hình nhà máy nhiệt điện 27

2.2.1 Phân tích bài toán điều khiển ổn định nhiệt độ nước cấp trong mô hình 27

2.2.2 Cấu trúc điều khiển nhiệt độ nước cấp 27

2.2.3 Xây dựng hàm truyền của các bộ điều khiển trong sơ đồ cấu trúc28 2.2.3.1 Cảm biến đo nhiệt độ 28

2.2.3.2 Van điều khiển 29

2.2.3.3 Thiết bị gia nhiệt nước cấp 30

2.2.3.4 Hàm truyền của hệ thống 30

2.4 Thiết kế bộ điều khiển PID 31

2.4.1 Phương pháp thiết kế 31

2.4.2 Kết quả mô phỏng 34

2.5 Kết luận 36

Chương 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI

Cấu trúc một bộ điều khiển mờ 37

3.1.1 Mờ hóa 37

3.1.2 Giải mờ(deuzzyfier) 38

3.1.3 Khối luật mờ và khối hợp thành 40

3.1.3.1 Các bước xây dựng luật hợp thành khi có nhiều điều kiện 41

3.1.3.2 Thuật toán xây dựng luật hợp thành của nhiều mệnh đề hợp thành 41

Trang 6

3.1.4 Bộ điều khiển mờ 43

3.1.4.1 Bộ điều khiển mờ động 43

3.1.4.2 Điều khiển mờ thích nghi 44

3.1.4.3 Điều khiển mờ lai 45

3.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ lai 49

3.2.1 Đặt vấn đề 49

3.2.2 Mô phỏng các điều khiển đã thiết kế 50

3.3 Kết quả mô phỏng 51

3.4 Kết luận chương 3……… 54

Chương 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

4.1 Cấu trúc hệ thống thí nghiệm 55

4.1.1 Cấu hình thí nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm 57 4.1.2 Giới thiệu về mô hình thực nghiệm 55

4.2 Các thao tác thực hiện 61

4.3 Ứng dụng bộ điều khiển PI trên mô hình thực tế tại trung tâm thí nghiệm điện – điện tử 63

4.4 Kết luận chương 4 65

Kết luận và kiến nghị 66 Tài liệu tham khảo

Trang 7

Các ký hiệu:

Các chữ viết tắt

Trang 8

Hình 1.2 Mô hình nhà máy nhiệt điện tại trung tâm thí nghiệm 7

Hình 2.9 Kết quả mô phỏng với bộ PID tìm được với giá trị đặt

Trang 9

Hình 3.15 Sơ đồ mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển mờ lai 51

Hình 3.16 Đáp ứng nhiệt độ của hệ thống với bộ điều khiển mờ

Hình 3.17 Sơ đồ mô phỏng của hệ thống với bộ điều khiển PID

Hình 3.18 Đáp ứng nhiệt độ của hệ thống với bộ điều khiển PID

Trang 10

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Trong những năm gần đây trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, nhu cầu về điện năng tăng cao trong sản xuất và đời sống xã hội Đồng thời trên thế giới hiện nay,việc khai thác các nguồn năng lượng một cách hiệu quả đang là nhu cầu đòi hỏi các nhà khoa học quan tâm Một trong những nguồn điện chủ yếu ở Việt Nam hiện nay là nhiệt điện

Điện năng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống kinh tế - chính trị - trên toàn thế giới Nhu cầu sử dụng điện năng của mỗi quốc gia ngày càng tăng Cùng với sự tồn tại của các nhà máy Thủy điện, Điện hạt nhân, Pin mặt trời, Sức gió, Địa nhiệt thì nhà máy nhiệt điện đóng vài trò đáng kể

Ở nước ta thì các nhà máy nhiệt điện cung cấp trong nhiều năm gần đây dao động trong phạm vi 20% Các tổng sơ đồ phát triển điện và dự đoán còn phát triển trong tương lai Đối với các nhà máy nhiệt điện hiện nay thì nhiên liệu chính sử dụng vẫn là than và khí thiên nhiên, các loại nhiên liệu lỏng ít được sử dụng do nhiên liệu này hạn chế Vì vậy việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển hiện đại nhằm nâng cao chất lượng các quá trình của nhà máy nhiệt điện là rất quan trọng

Việc ứng dụng các thuật toán điều khiển hiện đại sẽ nâng cao được chất lượng và số lượng sản phẩm, đưa lại hiệu quả kinh tế rõ rệt cho công nghiệp nước ta

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 thích nghi, không bền vững,tín hiệu điều khiển không bị chặn.Việc đưa ra phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho hệ thống điều khiển quá trình,cụ thể là điều khiển mức nước cấp đảm bảo khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm việc đòi hỏi các nhà khoa học không ngừng phát triển nghiên

Trang 11

cứu Vì vậy em chọn đề tài: “Cải thiện chất lƣợng điều khiển nhiệt độ mô

hình nhà máy nhiệt điện”

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng mô tả toán học cho hệ thống điều khiển nhiệt độ nước cấp của bình chứa

-Thiết kế điều khiển mờ lai để điều khiển hệ thống

- Mô phỏng và thí nghiệm về điều khiển hệ thống trên thiết bị thực của phòng thí nghiệm

3 Nội dungcủa luận văn

Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm các chương sau:

Chương 1: Tổng quan về mô hình nhà máy nhiệt điện tại trung tâm thí nghiệm

Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển PID cho đối tượng điều khiển nhiệt độ

mô hình nhà máy nhiệt điện

Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ mô hình nhà máy nhiệt điện bằng bộ điều khiển mờ lai

Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Trang 12

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN TẠI

TRUNG TÂM THÍ NGHIỆM

1.1 Tổng quan về nhà máy nhiệt điện

1.1.1 Giới thiệu chung

Điện năng được sản xuất ra bởi việc sử dụng nguồn năng lượng thiên

nhiên Tùy theo việc sử dụng nguồn năng lượng mà người ta chia ra làm các loại nhà máy điện khác nhau Nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu chủ yếu

là than, nhà máy thủy điện sử dụng năng lượng từ thế năng của nước, nhà máy điện nguyên tử sử dụng năng lượng nguyên tử Các nhà máy điện được xây dựng tùy theo sự thuận lợi về địa lý, về lợi ích kinh tế Đối với nhà máy thủy điện được xây dựng trên các con sông lớn để tận dụng thế năng của nước để làm quay tuabin Còn các nhà máy nhiệt điện được xây dựng gần mỏ cung cấp nhiên liệu Về vấn đề điều khiển thì các nhà máy nhiệt điện phức tạp hơn các nhà máy thủy điện Tuy nhiên việc tận dụng nước tự nhiên cũng là một lợi ích kinh tế của nhà máy thủy điện, ngoài ra các nhà máy thủy điện còn đem lại lợi ích cho nghành nông nghiệp Khi kỹ thuật phát triển thì xu hướng xây dựng các nhà máy điện nguyên tử ngày càng tăng lên, điều này giải quyết vấn đề năng lượng tự nhiên ngày càng khan hiếm Nhưng vấn đề quan trọng nhất đối với nhà máy điện nguyên tử là trình độ kỹ thuật và an toàn nhà máy

Ở nước ta thì các nhà máy nhiệt điện vẫn cung cấp một lượng điện không nhỏ cho mạng lưới điện quốc gia Đối với các nhà máy nhiệt điện hiện nay thì nhiên liệu chính sử dụng vẫn là than và khí thiên nhiên, các loại nhiên liệu lỏng ít được sử dụng do nhiên liệu này hạn chế

Trang 13

a) Phân loại nhà máy nhiệt điện:

- Phân loại theo nhiên liệu sử dụng:

+ Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu lỏng

+ Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu khí

+ Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu hỗn hợp

- Phân loại theo tuabin quay máy phát:

+ Nhà máy điện tuabin hơi

+ Nhà máy điện tuabin khí

+ Nhà máy điện tuabin khí – hơi

- Phân loại theo dạng năng lượng cấp đi:

+ Nhà máy điện ngưng hơi: chỉ cung cấp điện năng

+ Trung tâm nhiệt điện: cung cấp đồng thời cả nhiệt năng và điện năng

b) Chu trình nhiệt của nhà máy nhiệt điện ngưng hơi:

Nước từ bao hơi đi xuống các đường ống được bố trí xung quanh thành

lò, nước nhận nhiệt năng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu trong lò và trở thành hơi bão hòa Hơi bão hòa được dẫn qua bộ lọc khô và bộ điều chỉnh hơi quá nhiệt đảm bảo nhiệt độ, áp suất vào tuabin cao áp để sinh công lần thứ nhất Sau đó hơi lại được đưa vào bộ gia nhiệt rồi tiếp tục được đưa vào tuabin trung áp để sinh công lần thứ hai Từ tuabin trung áp hơi được dẫn thẳng đến tuabin hạ áp để sinh công lần cuối

Hơi sau khi đã sinh công từ tuabin hạ áp sẽ được đưa xuống bình ngưng để ngưng trở lại thành nước Bình ngưng có hệ thống làm mát tuần hoàn, và hệ thống hút chân không làm cho hơi nước được ngưng tụ nhanh chóng Sau đó nước từ bình ngưng sẽ được hệ thống bơm ngưng, bơm tới tất

cả các bình gia nhiệt hạ áp Tại đây nước sẽ được làm nóng lên bởi hơi trích

ra từ tuabin hạ áp Sau khi ra khỏi các bình gia nhiệt hạ áp nước được đưa tới các bình khử khí để khử hết các bọt khí có lẫn trong nước Nước tiếp tục được

Trang 14

đưa tới các bình gia nhiệt cao áp để nâng nhiệt độ trước khi trở lại bao hơi thành chu trình nhiệt khép kín nước được đưa qua bộ gia nhiệt để được làm nóng thêm bởi khói thoát ra từ lò

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện

Nguyên lý sản xuất điện của nhà máy nhiệt điện là chuyển hóa nhiệt năng từ đốt cháy các 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 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 hòa vào mạng điện quốc gia Quá trình chuyển hóa năng lượng từ năng lượng hóa 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 hòa mang nhiệt năng Hơi bão hòa là môi trường truyền nhiệt từ lò đến tuabin Tại tuabin nhiệt năng được biến đổi thành cơ năng, sau đó từ cơ năng chuyển thành điện năng Quá trình chuyển hóa năng lượng đó có thể được mô tả qua

mô hình sau:

Trang 15

Nhiên liệu

Lò

Máy phát

Nước ngưng

Cơ năng Nhiệt năng

Hình 1.1: Quá trình chuyển đổi năng lượng

Hóa năng

1.2.1 Giới thiệu chung

Mô hình hệ thống điều khiển quá trình nhà máy nhiệt điện tại trung tâm thí nghiệm điện - điện tử (hình 1.2) được xây dựng để mô phỏng lại các quá trình cơ bản trong nhà máy nhiệt điện Mô hình này giúp sinh viên có được cái nhìn khái quát về một nhà máy nhiệt điện, các quá trình công nghiệp

và các thiết bị đo lường, điều khiển trong nhà máy nhiệt điện Các đối tượng

sử dụng trong mô hình như: Bộ cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp lực, cảm biến mức, cảm biến lưu lượng, động cơ,…Đây là các đối tượng rất cơ bản và sử dụng rộng rãi trong công nghiệp giúp cho sinh viên có cái nhìn thực tế về thiết

bị Trên cơ sở các bài toán thực tế của nhà máy nhiệt điện sinh viên sẽ được phân tích và đưa ra các bài toán điều khiển các đối tượng khác nhau trong quá trình hoạt động của nhà máy Các đối tượng này tuy khác nhau nhưng chúng

Trang 16

đều có mối quan hệ mật thiết với nhau Sinh viên có thể áp dụng các bài toán điều khiển đã được học vào các bài toán thực tế

Sinh viên có thể đưa ra các thuật toán điều khiển khác nhau cho các đối tượng trong mô hình và lập chương trình điều khiển với các thuật toán đưa ra Sinh viên có thể phân tích cấu trúc điều khiển đưa ra một cách trực quan thông qua hệ giám sát quá trình, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hoạt động Ngoài ra sinh viên còn được tiếp cận với bộ phần mềm lập trình và thiết kế

hệ giám sát quá trình hoạt động trong nhà máy bằng phần mềm của hãng ABB Đây cũng là một phần mềm có nhiều tính năng được sử dụng rộng rãi trong thiết

kế và điều khiển trong công nghiệp Sinh viên có thể tiếp cận các kỹ năng cơ bản của bộ phần mềm và ứng dụng thực tế trong công nghiệp khi ra trường

Van điều khiển CV02

Bình chứa

nước

Bao hơi

Bình gia nhiệt

Điện trở nhiệt

Bơm

B02

Hình 1.2: Mô hình nhà máy nhiệt điện tại trung tâm thí nghiệm

Trang 17

1.2.2 Mục đích của các bài thí nghiệm trên mô hình nhà máy nhiệt điện

Mục đích của các bài thí nghiệm trên mô hình nhà máy nhiệt điện nhằm giúp sinh viên:

- Phân tích quá trình hoạt động của một nhà máy nhiệt điện và đưa ra bài toán điều khiển trong từng quá trình

- Làm quen và sử dụng bộ phần mềm giám sát và điều khiển của hãng ABB

để điều khiển và giám sát quá trình hoạt động của nhà máy

- Tiếp cận những thiết bị thực tế thường sử dụng trong công nghiệp: Thiết bị cảm biến (áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, mức) và thiết bị điều khiển như (biến tần, van điều khiển góc mở, bơm…)

- Kiểm định các kiến thức lý thuyết về điều khiển logic và điều khiển quá trình sử dụng các bộ diều khiển PID và các bộ điều khiển cao cấp khác

- Phân tích sự ảnh hưởng của các tham số bộ điều khiển PID và giám sát đáp ứng của hệ thống trên đồ thị, sau đó kiểm chứng sự đúng đắn đáp ứng đó trên

cơ sở lý thuyết đã học

Trên cơ sở phân tích hoạt động của nhà máy và thực tế mô hình thí nghiệm

hệ điều khiển quá trình nhà máy nhiệt điện chúng ta có thể xây dựng các bài toán nhỏ sau:

- Bài thí nghiệm điều khiển nhiệt độ nước cấp

- Bài thí nghiệm điều khiển ổn định mức

- Bài thí nghiệm ổn định lưu lượng

- Bài thí nghiệm ổn định áp suất

Việc chia ra thành các bài thí nghiệm nhỏ giúp sinh viên nắm được nguyên lý điều khiển và có thể kiểm chứng các lý thuyết đã học Nhưng đây là một hệ mô hình hoàn chỉnh nên mọi quá trình điều khiển trong các bài thí nghiệm nhỏ đều có mối liên hệ qua lại lẫn nhau Muốn tìm hiểu rõ về các bài toán thực tế này yêu cầu sinh viên phải có tính sáng tạo và chịu khó tìm tòi học

Trang 18

hỏi Sau khi đã nghiên cứu kỹ mô hình thí nghiệm tìm hiểu các thiết bị sinh viên sẽ đưa ra phương thức điều khiển hợp lí Qua đó giúp sinh viên tiếp cận các bài toán trong công nghiệp và hiểu được nguyên lý của nhà máy nhiệt điện

1.2.3 Lò hơi và hệ điều khiển lò hơi

1.2.3.1 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

Hình 1.3: Nguyên lí cấu tạo của lò

hơi

Trang 19

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 xử lý 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 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

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

1.2.3.2 Phân loại lò hơi

Dựa vào thông số hơi:

Lò hơi thông số thấp: Thường được quy ước theo áp suất p < 15 bar, nhiệt độ t < 350 o

C, thường dùng hơi bão hòa

Lò hơi thông so trung bình: Thường được quy ước áp suất từ 15 bar đến

60 bar, nhiệt độ từ 350 đến 450o

C

Lò hơi thông số cao: Áp suất trên 60 bar Trong loại này có thể chia thành lò hơi dưới hoặc trên thông số tới hạn

Trang 20

Dựa vào chế độ chuyển động của nước trong lò hơi:

Lò hơi đối lưu tự nhiên: Môi chất chỉ chuyển động đối lưu tự nhiên do

sự chênh lệch về mật độ trong nội bộ môi chất mà không tạo được vòng tuần hoàn tự nhiên, thường gặp ở các lò hơi công suất nhỏ

Lò hơi tuần hoàn tự nhiên: Đây là loại lò hơi thường gặp nhất trong phạm vi công suất trung bình và lớn Khi vận hành, môi chất tạo được vòng tuần hoàn tự nhiên nhờ sự chênh lệch về mật độ trong nội bộ môi chất Cũng chỉ có lò hơi dưới tới hạn mới có thể có vòng tuần hoàn tự nhiên

Lò hơi tuần hoàn cưỡng bức: Dưới tác dụng của bơm, môi chất chuyển động theo quỹ đạo khép kín, thường gặp trong các lò hơi thông số cao Với lò hơi siêu tới hạn chỉ có thể có vòng tuần hoàn cưỡng bức

Lò hơi đối lưu cưỡng bức: Đây là loại lò hơi trực lưu hoặc đơn lưu Trong loại lò hơi này, dưới tác dụng của bơm, môi chất chỉ đi theo một chiều, nhận nhiệt, biến dần thành hơi đưa ra sử dụng mà không có tuần hoàn đi lại Cũng có thể xếp lò hơi này thành loại lò hơi tuần hoàn cưỡng bức

Dựa theo cách đốt nhiên liệu:

Lò hơi đốt theo lớp: Nhiên liệu rắn (than, củi, bã mía…) được xếp thành lớp trên ghi để đốt Có loại ghi cố định, có loại ghi chuyển động thường được gọi là ghi xích, có loại ghi xích thuận chiều, có loại ghi xích ngược chiều

Lò hơi đốt phun: Nhiên liệu khí, nhiên liệu lỏng, nhiên liệu rắn được nghiền thành bột phun vào buồng lửa, hỗn hợp với không khí và tiến hành các giai đoạn của quá trình cháy trong không gian buồng lửa

Lò hơi đốt đặc biệt: Buồng lửa cháy và buồng lửa tầng sôi

Buồng lửa xoáy có thể đốt than cám nguyên khai thác hoặc nghiền sơ

bộ Nhiên liệu và không khí được đưa vào buồng lửa hình trụ theo chiều tiếp tuyến với tốc độ cao Dưới tác dụng của lực ly tâm, xỉ lỏng và các hạt nhiên

Trang 21

liệu có kích thước lớn bám sát thành lớp vào tường lò, rồi đến các hạt có kích thước nhỏ hơn, những lớp này cháy hoàn toàn theo lớp, còn các hạt than nhỏ cùng với chất bốc chuyển động ở vùng trung tâm và cháy trong không gian Buồng lửa tầng sôi, nhiên liệu rắn nguyên khai hoặc nghiền sơ bộ sau khi được đưa vào dưới tác dụng của gió có tốc độ đủ lớn, dao động lên xuống trong một khoảng không gian nhất định của buồng lửa và tiến hành các giai đoạn của quá trình cháy

Các cách phân loại khác:

Dựa theo trạng thái xỉ ra, chia thành hai loại thải xỉ khô và thải xỉ lỏng

Dựa theo áp suất của không khí và sản phẩm cháy trong buồng lửa, có loại buồng lửa áp suất âm, có loại áp suất dương Trong lò hơi áp suất dương

có loại đốt cao áp, có loại đốt dưới áp suất bình thường

Dựa theo cách lắp đặt, có loại lò hơi cấp nhiệt, có loại động lực

Dựa theo đặc điểm bề mặt truyền nhiệt, có loại hơi ống lò, có loại hơi ống lửa, có loại nằm, có loại đứng

Tất cả các cách phân loại lò hơi như trên chỉ thể hiện một vài đặc tính nào đó của lò hơi, vì vậy trong thực tế, khi gọi tên lò hơi người ta thường kết hợp nhiều kiểu phân loại, ví dụ: Lò hơi của nhà máy nhiệt điện là loại lò hơi cân bằng, tuần hoàn tự nhiên, dưới tới hạn, quá nhiệt trung gian một cấp và buồng lửa thải xỉ khô

Do phần lớn các nhà máy nhiệt điện ở nước ta đều sử dụng loại lò hơi đốt phun nên chúng ta thường đi nghiên cứu loại này

1.2.3.3 Nguyên lý hoạt động của lò hơi

Bột nhiên liệu được gió cấp một thổi qua vòi phun đưa vào buồng lửa, nhận nhiệt từ buồng lửa và sản phẩm cháy được sấy nóng , sấy khô, tách chất bốc, tạo cốc và bắt đầu cháy Mặt khác, dưới tác dụng của quạt gió, quạt khói, không khí được đưa vào đầy đủ, cháy hết các chất bốc và cốc, tạo thành sản

Trang 22

phẩm cháy và tro xỉ ở nhiệt độ cao Tro xỉ bị cháy lỏng, một bộ phận kết lại với nhau thành hạt lớn rơi xuống đáy buồng lửa, có thể thải ra ngoài dưới dạng xỉ lỏng nếu như không làm nguội, tro xỉ có thể được làm nguội trong phễu tro lạnh, đông đặc rồi lại được thải ra ngoài dưới dạng xỉ khô Những hạt tro xỉ bị dòng sản phẩm cháy cuốn theo, nguội dần do truyền nhiệt cho môi chất qua các dàn ống, đông đặc lại trước khi ra khỏi buồng lửa rồi ra khỏi sản phẩm cháy khi đi qua bộ khử bụi bị tách ra hoặc thải ra ngoài qua ống khói Tuy nhiên vẫn còn một bộ phận bám lại trên các bề mặt truyền nhiệt hoặc trên các đường ống dẫn khói Sản phẩm cháy khi ở trong buồng lửa có nhiệt độ khá cao, khoảng 1200o

C đến 1600o

C , qua các bề mặt truyền nhiệt cho môi

chất, nhiệt độ giảm xuống 120o

C đến 180o C trước khi thải ra ngoài

Nước cấp được đưa qua bộ phận gia nhiệt nước cấp, được đốt nóng đến xấp xỉ nhiệt độ bão hòa rồi đưa qua balong Sau đó nước sẽ đi xuống theo dàn ống xuống, tức là những dàn ống nhận nhiệt ít hoặc không nhận nhiệt, qua ống góp dưới rồi đi lên theo dàn ống sinh hơi tức là dàn ống nhận nhiều nhiệt, trong các dàn ống này nước nhận nhiệt biến thành hơi tạo thành hỗn hợp nước

và hơi có khối lượng riêng nhỏ, rồi lại trở về balong Ở đây, hơi được tách ra, được đưa qua bộ quá nhiệt để tiếp tục đốt nóng để trở thành hơi quá nhiệt đi đến tuabin Phần nước còn lại chưa hóa hơi tiếp tục trở về dàn ống xuống cùng với nước tạo thành vòng tuần hoàn tự nhiên Lò hơi đốt than phun thường cung cấp hơi nước chạy các tuabin có thống số trung bình hoặc cao,

có thể lên tới áp suất hàng trăm bar, nhiệt độ xấp xỉ 600o

c, công suất trung bình hoặc lớn, có thể lên đến trên dưới 3000T/h

1.2.3.4 Quá trình biến đổi năng lượng trong lò hơi

Quá trình biến đổi năng lượng của lò hơi bao gồm các quá trình: Biến đổi hóa năng của nhiên liệu thành nhiệt năng; Biến đổi nhiệt năng thành cơ năng và biến đổi cơ năng thành điện năng Trong đó quá trình biến đổi năng

Trang 23

lượng từ hóa năng của nhiên liệu ( như than đá, dầu mỏ, khí đốt v.v…) thành nhiệt năng của sản phẩm cháy thực hiện trong buồng đốt của lò nhờ quá trình đốt cháy nhiên liệu Nhiệt lượng này khi khởi động lò sẽ có nhiệm vụ truyền nhiệt tích trữ năng lượng cho các thành phần cấu tạo của lò như thành lò, đường ống dẫn, các dàn sinh nhiệt, gia nhiệt nước cấp… đảm bảo chế độ hoạt động của lò Sau khi khởi động lò (quá trình này diễn ra trong khoảng 2-3 ngày) nhiệt năng thực hiện nhiệm vụ chính là truyền nhiệt cho môi chất (nước) qua bộ gia nhiệt nước cấp, dàn sinh hơi biến một phần nhiệt năng thành hóa năng (nước hóa hơi) Hơi tiếp tục được truyền nhiệt năng qua bộ hơi quá nhiệt, mang nhiệt năng tới tuabin Tại đây quá trình biến đổi nhiệt năng thành cơ năng xảy ra, hơi mang nhiệt năng bắn vào tuabin biến nhiệt năng và cơ năng của hơi thành cơ năng làm quay tuabin Quá trình tiếp theo thực hiện biến đổi từ cơ năng thành điện năng nhờ tuabin quay rotor máy phát Chính vì qua nhiều giai đoạn biến đổi năng lượng như vậy mà năng lượng tổn thất là khá lớn, tổng nhiệt năng đầu vào xác định bằng tổng năng lượng chứa trong nhiên liệu, năng lượng hữu ích được xác định bằng năng lượng điện phát ra Có nhiều dạng tổn thất do nhiệt năng tro xỉ, nhiệt năng tổn thất trên các đường ống dẫn, năng lượng do bức xạ, tổn thất do khói thải ra ngoài, tổn thất do ma sát cơ của tuabin…Vì vậy hiệu suất của lò hơi trong nhà máy nhiệt điện ngưng hơi chỉ đạt từ 30-40%

1.2.3.5 Hệ thống điều khiển lò hơi

Lò hơi là một đối tượng điều khiển Công suất phát ra của nhà máy điện

là không cố định mà có thể thay đổi tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng điện Giá trị công suất này được yêu cầu từ trung tâm điều độ quốc gia Công suất điện phát ra phụ thuộc vào lưu lượng hơi đưa đến tuabin của máy phát, lưu lượng dẫn vào tuabin nhiều thì công suất của máy phát tăng lên và ngược lại Khi lưu lượng hơi vào nhiều, nhiệt được truyền theo và sinh công càng nhiều do

Trang 24

vậy điện năng sản xuất ra càng lớn Như vậy khi yêu cầu về công suất điện phát ra tăng thì lưu lượng hơi đưa vào tăng lên, để đáp ứng được nhu cầu của hơi thì nhiên liệu đưa vào lò phải tăng theo Đồng thời nước cấp vào bao hơi cũng phải tăng lên để được lượng hơi yêu cầu

Lò hơi là một hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra Đầu vào của lò hơi bao gồm nhiên liệu (than dầu), gió đảm bảo cung cấp oxy cho quá trình cháy và lượng nước cấp xuống từ bao hơi Đầu ra của lò hơi bao gồm hơi nước bão hòa thoát ra từ bao hơi, lượng nước thừa đi xuống, lượng khói và xỉ

từ quá trình cháy Như vậy năng lượng đưa vào lò chính là hóa năng có chứa trong nhiên liệu Năng lượng hữu ích từ đầu ra của lò được mang đi bởi hơi nước bão hòa Đầu vào và ra này 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, nước cấp để được sản lượng hơi mong muốn Đầu vào

và đầu ra của lò hơi có mối quan hệ chặt chẽ với nhau dựa trên hai định luật bảo toàn cơ bản là: Định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn khối lượng Hệ thống điều khiển lò hơi nhà máy nhiệt điện 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 hàng trăm mạch vòng điều khiển khác nhau Trong lò hơi các quá trình điều khiển gió, không khí 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 cũng phải kết hợp điều khiển nhiều đối tượng với nhiều tham số Điều này yêu cầu phải có 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 có thể chia hệ thống thành các hệ điều khiển chính sau:

Hệ điều khiển phụ tải nhiệt: Điều khiển quá trình cấp nhiên liệu, nghiền

và phun than vào trong buồng đốt cháy sinh nhiệt năng

Trang 25

Hệ điều khiển chân không buồng đốt: Điều khiển luồng gió cấp không khí và khói thoát, đảm bảo điều kiện cháy tối ưu trong buồng đốt

Hệ điều khiển mức nước bao hơi: Điều khiển quá trình cấp nước cho bao hơi, đảm bảo cân bằng giữa lượng hơi sinh ra, lưu lượng nước cấp và nước cấp đi xuống giàn sinh hơi

Hệ điều khiển hơi: Đảm bảo các chất lượng hơi khi phun vào tuabin với các thông số như: Độ khô, nhiệt độ, áp suất, lưu lượng hơi…

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, cơ năng và từ cơ năng chuyển hóa thành điện năng Tuy nhiên trong điều khiển thì quá trình thường đi theo chiều ngược lại, từ yêu cầu của tải quyết định công suất máy phát Từ công suất máy phát tính toán ra tổng nhiệt năng yêu cầu Tổng nhiệt năng yêu cầu sẽ là lượng đặt điều khiển than cấp vào và điều khiển lượng gió cần thiết để đảm bảo quá trình cháy cung cấp nhiệt 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 lượng trong lò hơi

Các mạch vòng điều khiển đảm bảo chất lượng:

Để hiệu suất lò hơi cao nhất, đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất cũng như tuổi thọ của nhà máy và chất lượng điện phát ra thì phải đảm bảo được chất lượng quá trình cháy và chất lượng hơi

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 thành nhiệt năng lớn nhất

Trang 26

Lò hơi

Điều khiển nước cấp

Yêu cầu nhiên liệu

Điều khiển nhiệt độ lò hơi

Nhiên liệu Gió

-

Chất lượng của hơi: Hơi có nhiệt độ, áp suất ổn đinh và lưu lượng đáp ứng nhu cầu của tải Đặc biệt hơi nước không được phép lẫn bụi hay các hạt nước li ti vì như vậy sẽ gây rỗ và làm hỏng cánh tuabin.Cấu trúc điều khiển lò hơi như hình vẽ:

Như vậy lò hơi là một đối tượng điều khiển trong lò hơi phải đảm bảo cân bằng về:

- Cân bằng về khối lượng giữa hơi và nước cấp:

Nước được cấp đến bao hơi, ở bao hơi nước nhận nhiệt năng từ quá trình cháy trong lò hơi và chuyển hóa thành hơi nước bão hòa Ngoài lượng hơi chính thoát ra từ bao hơi được dẫn tới tuabin thì còn có một lượng nước đi xuống quay trở lại bao hơi Đây chính là lượng nước được tách ra từ hơi bão hòa qua bộ phận lọc hơi Mặc dù năng lượng mang đi bởi lượng nước này không phải là năng lượng có ích từ quan điểm của hiệu suất lò nhưng năng lượng đó không đáng kể bởi vì lò hơi hầu như truyền nhiệt toàn bộ từ nhiệt

Hình 1.4: Cấu trúc điều khiển lò hơi

Trang 27

chứa trong nhiên liệu cho nước cấp để trở thành hơi bão hòa Trong cân bằng này thì thông thường hơi sẽ chiếm khoảng 90% - 99% khối lượng đầu ra

- Cân bằng về khối lượng giữa nhiên liệu, gió với khối lượng khói thải và tro xỉ:

Nhiên liệu được đưa vào lò cộng với gió để cung cấp O2 cho quá trình cháy của lò hơi Gió đưa vào lò thường lớn hơn rất nhiều so với nhiên liệu Sau quá trình cháy, những chất rắn không cháy được sẽ tạo thành tro xỉ Tro

là những chất rắn không cháy được nhưng không bị nóng chảy còn xỉ chính là tro nóng chảy tạo thành Đồng thời một lượng khói thải lớn được đưa ra ngoài trời qua ống khói Theo định luật bảo toàn khối lượng ta có cân bằng giữa đầu

vào là nhiên liệu và gió với đầu ra là khói thải, tro xỉ

- Cân bằng thành phần hóa học chứa trong nước cấp và hơi:

Nước cấp đưa vào lò bao gồm rất nhiều các thành phần hóa học khác nhau như: Ca2, Mg2, Na2, K, HCO3, SO42, Cl Ngoài ra còn có các chất keo, chất bùn

Hơi quá nhiệt đi vào tuabin phải đảm bảo sạch chứa ít hóa chất, điều này

là cần thiết để tránh hư hại ăn mòn đường ống và làm hỏng cánh tuabin

Hơi bão hòa từ bao hơi vào bộ quá nhiệt mang theo những hạt nước có nồng độ tạp chất khá cao Khi bộ quá nhiệt nước bốc hơi dần còn cáu lại cặn thì một phần bám trên bề mặt ống bộ quá nhiệt phần còn lại bay theo hơi vào các thiết bị phía sau như ống dẫn hơi, tuabin …

- Cân bằng thành phần hóa học giữa nhiên liệu cộng gió thứ cấp với khói thải cộng tro xỉ:

Cân bằng hóa học đầu vào và đầu ra của quá trình cháy của lò hơi Cũng như cân bằng hóa học của nước cấp và hơi bão hòa thì sơ đồ này cũng cho

Trang 28

thấy cân bằng của mỗi thành phần hóa học Nhiên liệu và gió đưa vào lò cũng bao gồm nhiều thành phần hóa học khác nhau như: O2, C, N , S, 2 H , oxit 2

nitơ, CO ,… Sản phẩm của quá trình cháy là khói và lượng tro xỉ Những hạt 2

xỉ lỏng lớn, rơi xuống phía dưới đáy buồng lửa, ở đó có thể thải ra ở thể lỏng gọi là phương pháp thải xỉ lỏng, cũng có thể được làm nguội, đông đặc lại rồi thải ra ngoài theo phương pháp thải xỉ khô Những hạt quá nhỏ không tách ra được đi theo khói ra ngoài khí quyển

- Cân bằng năng lượng của lò hơi (cân bằng nhiệt):

Năng lượng đầu vào của lò được xác định bởi tổng năng lượng chứa trong nhiên liệu cấp vào lò gồm năng lượng từ than và dầu, năng lượng từ nước cấp, năng lượng do sự cháy oxi Tổng năng lượng cấp vào lò được tính bởi lưu lượng nhiên liệu đầu vào nhân với năng lượng của mỗi đơn vị chuẩn trong một đơn vị thời gian

Năng lượng đầu vào của lò gồm năng lượng hữu ích được tích trữ trong hơi nước, năng lượng chứa trong khói và năng lượng chứa trong lượng thừa đi xuống Ngoài ra còn một phần năng lượng bị mất đi do có tổn thất trong lò 9 (lượng tổn thất này là tất yếu do quá trình cháy và truyền nhiệt) Từ định luật cân bằng năng lượng ta có phương trình thể hiện mối quan hệ giữa năng lượng đầu vào và đầu ra của lò như sau:

Tổng năng lượng đầu vào = Tổng năng lượng hữu ích đầu ra + Tổng tổn thất:

Trong đó năng lượng tổn thất bao gồm:

 Tổn thất nhiệt do nước trong quá trình cháy

 Tổn thất nhiệt để làm khô khí tự nhiên

 Tổn thất nhiệt có trong nhiên liệu

Trang 29

Tổn thất nhiệt cấp cho nước có trong nhiên liệu

 Tổn thất nhiệt cấp cho nước hình thành bởi sự cháy oxi

 Tổn thất nhiệt do cacbon không cháy

 Tổn thất nhiệt do gió thừa mang đi trong khói

 Tổn thất nhiệt do bức xạ

Chính các đòi hỏi trên đặt ra yêu cầu đối với bài toán điều khiển cho lò hơi phải đảm bảo đầu vào đáp ứng yêu cầu đầu ra Ngoài ra để đảm bảo tính chính xác, ổn định của lò hơi, hệ thống điều khiển còn phải đảm bảo chất lượng hơi quá nhiệt về lưu lượng, nhiệt độ, áp suất và chất lượng của quá trình cháy về nhiên liệu, lượng oxi… để sao cho hệ thống đạt hiệu quả cao nhất, mang lại hiệu quả kinh tế

1.2.4 Bao hơi và hệ điều khiển bao hơi

1.2.4.1 Bao hơi

Hơi nước chính là đối tượng mang nhiệt năng, hơi được dẫn đến tuabin

để sinh công (nhờ sự chuyển hóa 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 ống sinh hơi, các dàn ống 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 giàn ống sinh hơi ở hai bên thành 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 để lọc đi phần nước trong hỗn hợp hơi nước rồi đưa vào bộ quá nhiệt để khử ẩm cho hơi và đảm bảo chất lượng hơi trước khi bắn vào tuabin

Trang 30

1.2.4.2 Hệ thống điều khiển bao hơi

Hơi nước là môi trường truyền năng lượng, để đảm bảo hiệu suất biến đổi năng lượng được tốt nhất cần phải quan tâm tới 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 khi đó 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 cần 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

Bao hơi

Hình 1.5: Bao hơi

Trang 31

phù hợp với chế độ kinh tế nhất Hệ thống điều chỉnh phụ tải nhiệt nhằm duy trì sự 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 của nhiên liệu, nhiệt độ nước cấp, cũng như sự biến động của nhiên liệu, Những sự thay đổi đó là sự tác động trở lại bộ điều chỉnh nhiên liệu để thay đổi lượng nhiên liệu từ đó yêu cầu ổn định lượng hơi theo yêu cầu

Nhiệt độ hơi:

Nhiệt độ hơi quá nhiệt là thông số quan trọng, thông số này cần được điều chỉnh và giữ ổn định tại mọi giá trị tải Nhiệt độ hơi nước được giữ ở một nhiệt độ cố định nhằm tiết kiệm năng lượng, tránh gây dao động đường ống

do dao động về nhiệt, tránh tổn thất nhiệt năng do có sự trao đổi nhiệt giữa hơi và đường ống dẫn hơi Hơi bão hòa ra khỏi bao hơi có nhiệt độ không ổn định do nhiều nguyên nhân như: sự thay đổi tải lò, sự biến đổi về 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 tính toán yêu cầu nhiên liệu

1.2.5 Thiết bị gia nhiệt

Trong thời gian gần đây, thiết bị gia nhiệt được ứng dụng rộng rãi để gia nhiệt quy trình gián tiếp Sử dụng dầu mỏ-nhiên liệu lỏng cơ bản làm trung gian truyền nhiệt, những bộ sấy này cung cấp nhiệt độ có thể duy trì liên tục cho thiết

bị sử dụng Hệ thống cháy bao gồm ghi cố định với các thiết bị thông khí cơ học

Trang 32

Thiết bị gia nhiệt đốt dầu bao gồm: một ống đôi, cấu trúc bậc ba và được lắp với một hệ thống vòi phun áp suất Chất lưu, hoạt động như là chất mang nhiệt, được gia nhiệt trong bộ sấy và tuần hoàn trong thiết bị sử dụng Tại đó, chất lưu truyền nhiệt cho quy trình thông qua bộ trao đổi nhiệt và chất lưu quay trở lại bộ sấy Lưu lượng của chất lưu tại điểm sử dụng cuối được điều chỉnh bằng van điều chỉnh vận hành bằng khí, dựa trên nhiệt độ vận hành Bộ sấy hoạt động ở mức lửa nhỏ hay to phụ thuộc vào nhiệt độ dầu, thay đổi tỷ lệ với tải của hệ thống

Ưu điểm của loại thiết bị này:

Vận hành theo chu trình khép kín với tổn thất tối thiểu so với lò hơi sử dụng hơi

Vận hành hệ thống không điều áp ngay cả khi nhiệt độ ở mức 250ºC so với hệ thống hơi tương tự có áp suất 40 kg/cm2

Hình 1.6: Cấu tạo điển hình của thiết bị gia nhiệt

Trang 33

Thiết lập kiểm soát tự động, giúp vận hành linh hoạt

Hiệu suất nhiệt tốt vì hệ thống thiết bị này không bị tổn thất do xả đáy, thải nước ngưng, và hơi giãn áp

Tính kinh tế của thiết bị gia nhiệt phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể và nền tảng tham khảo Thiết bị gia nhiệt đốt than có hiệu suất trong dải 55%65 % có thể so sánh được với hầu hết các lò hơi Kết hợp với các thiết

bị thu hồi nhiệt trong khí lò sẽ tăng hiệu suất nhiệt

Trang 34

Chương 2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN

NHIỆT ĐỘ MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

2.1 Đặt vấn đề

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:

Trang 35

* 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

Trang 36

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 mô hình nhà máy nhiệt điện

2.2.1 Phân tích bài toán điều khiển ổn định nhiệt độ nước cấp trong mô hình

Trong mô hình: để điều khiển nhiệt độ nước cấp ta có thể điều khiển các tham số như: lưu lượng nước cấp từ bình nước cấp lên nồi hơi gia nhiệt bằng cách thay đổi tốc độ của bơm số 2, hay lượng hơi phản hồi từ nồi hơi bằng cách điều khiển góc mở van điều khiển CV02, khi góc mở van tăng thì lượng hơi phản hồi tăng và tăng nhiệt độ nước cấp vào nồi hơi, ngược lại khi góc

mở giảm thì lượng hơi phản hồi giảm và làm giảm nhiệt độ nước cấp

2.2.2 Cấu trúc điều khiển nhiệt độ nước cấp

Sử dụng bộ điều khiển PIDLoop để điều khiển góc mở van CV02 (Van điều khiển lượng hơi gia nhiệt) Trong mô hình này thì chỉ điều khiển duy nhất góc mở van CV02 còn các yếu tố khác coi như là nhiễu Đây cũng là các nhiễu thường gặp trong công nghiệp

Trang 37

Valve_02

Bộ gia nhiệt nước cấp

Lưu lượng nước lạnh

Cảm biết nhiệt độ nước cấp

eT

ST

PvT

PID

2.2.3 Xây dựng hàm truyền của các bộ điều khiển trong sơ đồ cấu trúc

2.2.3.1 Cảm biến đo nhiệt độ

Ở đây sử dụng cảm biến đo nhiệt độ TMR 31 và TMR 35 có các thông

số chính sau:

- Dải đo từ -50°C đến 150°C (-58 ° F đến 302 ° F), hoặc lên đến 200°C

- Đầu ra là dòng điện 420mA

- Thiết kế nhỏ gọn với pt100, lớp A, với tích hợp máy phát 420mA lập

trình là tùy chọn, lập trình thông qua PC

- Thiết kế nhỏ gọn làm hoàn toàn bằng thép không gỉ

- M12 nối với IP 66/67 với kết nối điện rất dễ dàng

- 4 dây, pt 100 hoặc truyền PC, lập trình với 420mA đầu ra

- Cấu hình trực quan với readwin 2000 máy tính

- Biên chèn độ dài từ 40mm600mm

- Thời gian đáp ứng ngắn, độ chính xác cao

Thiết bị cảm biến nhiệt độ trong thực tế có nhiều loại khác nhau, tuy nhiên tùy theo yêu cầu sử dụng mà ta chọn cho phù hợp Luận văn sử dụng loại loại cảm biến TMR 31 và TMR 35 có hình ảnh như hình 2.2:

Hình 2.1: Cấu trúc điều khiển nhiệt độ nước cấp

-

Định dạng
Số trang	75
Dung lượng	1,92 MB