Nghiên cứu phương pháp chỉnh định hệ thống điều khiển quá trình nhiệt ddieennj tronng điều kiện phụ tải biến đổi

Khi tổ máy phải làm việc trong điều kiện phụ tải biến đổi, đặc biệt trong dải rộng, tăng/giảm công suất lớn sẽ làm cho các tham số quá trình tác động tương hỗ mạnh, tính chất phi tuyến c

MỤC LỤC

MỤC LỤC   i 

LỜI CAM ĐOAN   vi 

LỜI CẢM ƠN   vii 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT  viii 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ  x 

1. Sự cần thiết của đề tài  1 

2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu  2 

3. Phương pháp nghiên cứu  3 

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài  3 

5. Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu  4 

6. Cấu trúc của luận án  4 

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHỈNH ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ  TRÌNH NHIỆT ĐIỆN  5 

1.1. Tổng quan về công nghệ nhiệt điện  5 

1.1.1. Nguyên lý làm việc cơ bản của NMNĐ đốt than  5 

1.1.2. Lò hơi NMNĐ theo thông số hơi chính 7 

1.1.3. Công nghệ đốt than của lò hơi NMNĐ  7 

1.1.3.1. Công nghệ đốt than phun (Pulverized Coal - PC)  7 

1.1.3.2. Công nghệ đốt tầng sôi tuần hoàn (CFB)  8 

1.2. Đặc trưng của quá trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện   10 

1.2.1. Tính phức tạp và tương hỗ của thông số quá trình  10 

1.2.2. Đặc trưng bất định và phi tuyến của đối tượng nhiệt trong NMNĐ   11 

1.2.2.1. Phụ tải biến đổi do yêu cầu vận hành   11 

1.2.2.2. Phụ tải biến đổi do sự cố   12 

1.3. Hệ thống điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ   13 

1.3.1. Các hệ thống điều khiển cơ bản   15 

1.3.1.1. Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin   15 

1.3.1.2. Điều khiển công suất lò hơi   17 

1.3.1.3. Điều khiển cấp không khí cho buồng đốt   17 

1.3.1.4. Điều khiển mức nước bao hơi   18 

1.3.1.5. Điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt/tái nhiệt   18 

1.3.2.1. Cấu trúc tầng hai vòng   20 

1.3.2.2. Bộ điều khiển PID   21 

1.4. Chỉnh định hệ thống điều khiển trong NMNĐ   21 

1.4.1. Cơ bản về chỉnh định hệ tầng  21 

1.4.2. Phương pháp ứng dụng thực tế   22 

1.4.2.1. Chỉnh định theo phương pháp cơ bản   22 

1.4.2.2. Chỉnh định thực tế   24 

1.4.3. Hạn chế của phương pháp chỉnh định truyền thống  25 

1.4.4. Chỉnh định và vận hành ở các NMNĐ Việt Nam   25 

1.4.4.1. Công tác chỉnh định và thử nghiệm   25 

1.4.4.2. Thực tế vận hành   26 

1.5. Các phương pháp chỉnh định nâng cao   27 

1.5.1. PID tự động điều chỉnh (Auto-tuning PID)   28 

1.5.2. Gain-scheduling PID   29 

1.6. Đánh giá tổng quan   30 

1.7. Đặc tính quá độ của quá trình nhiệt NMNĐ   31 

1.7.1. Đặc tính quá độ của đối tượng   31 

1.7.2. Quá trình nhiệt có tự cân bằng   31 

1.7.2.1. Đặc tính động học đặc trưng   31 

1.7.2.2. Trường hợp đặc biệt   33 

1.7.2.3. Đặc tính quá độ của van điều chỉnh   34 

1.7.3. Quá trình nhiệt không có tự cân bằng   35 

1.8. Nhận dạng đối tượng đang làm việc và mô hình bất định   37 

1.8.1. Yêu cầu nhận dạng đối tượng đang làm việc   37 

1.8.2. Mô hình bất định tổng quát   38 

1.9. Lý thuyết bộ điều khiển bền vững và chỉ số dao động mềm   39 

1.9.1. Giới thiệu   39 

1.9.2. Khái niệm chỉ số dao động và bộ điều khiển bền vững [87, 88]   39 

1.9.3. Chỉ số dao động mềm và hằng số quán tính của bộ điều khiển bền vững  ………41 

1.9.3.1. Chỉ số dao động mềm   41 

1.9.3.2. Đường biên mềm và đặc tính mềm [87, 88]   41 

1.9.3.4. Xác định hằng số quán tính của bộ điều khiển bền vững [20, 88]  42 

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1   44 

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐIỆN   45 

2.1. Giới thiệu   45 

2.2. Mô hình hóa quá trình nhiệt NMNĐ vòng hở   45 

2.2.1. Lựa chọn mô hình   45 

2.2.1.1. Quá trình có tự cân bằng   46 

2.2.1.2. Quá trình không có tự cân bằng   47 

2.2.2. Xây dựng hàm mục tiêu   48 

2.2.2.1. Đối tượng nhiệt có tự cân bằng   48 

2.2.2.2. Đối tượng nhiệt không có tự cân bằng   50 

2.2.3. Lựa chọn mô hình cho quá trình có tự cân bằng   50 

2.3. Nhận dạng đối tượng nhiệt NMNĐ trong vòng kín   51 

2.3.1. Lựa chọn xung kích thích   51 

2.3.1.1. Xung chữ nhật   52 

2.3.1.2. Xung hàm mũ   52 

2.3.1.3. Xung tam giác   53 

2.3.2. Xác định đặc tính tần số của đối tượng   53 

2.3.2.1. Công thức xác định   53 

2.3.2.2. Xác định đặc tính tần số từ đặc tính thời gian   55 

2.3.3. Nhận dạng đối tượng vòng ngoài   57 

2.3.3.1. Xác định thành phần cơ sở   57 

2.3.3.2. Xác định thành phần bất định   59 

2.3.4. Nhận dạng đối tượng vòng trong   61 

2.3.5. Xác định dải tần số bản chất nhận dạng đối tượng   61 

2.4. Phương pháp giải bài toán tối ưu   63 

2.4.1 Giới thiệu   63 

2.4.2. Thuật toán tối ưu hóa vượt khe nhận dạng quá trình nhiệt NMNĐ   63 

2.4.3. Xác định véctơ gradient của hàm không trơn   66 

2.4.4. Xác định véc tơ xuất phát cho bài toán tối ưu   66 

2.4.4.1. Bài toán nhận dạng đối tượng vòng hở   66 

2.4.4.2. Bài toán nhận dạng vòng kín   68 

2.5.1. Nhận dạng đối tượng vòng hở  71 

2.5.1.1. Đối tượng nhiệt có tự cân bằng   71 

2.5.1.2. Quá trình nhiệt có tính chất tích phân   80 

2.5.2. Nhận dạng đối tượng trong vòng kín   83 

2.6. Kết quả và thảo luận   90 

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2   91 

CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP CHỈNH ĐỊNH BỘ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH  NHIỆT ĐIỆN   93 

3.1. Giới thiệu   93 

3.2. Chỉ số bền vững của hệ thống điều khiển   93 

3.3. Xác định chỉ số bền vững tối ưu theo kênh đặt   95 

3.4. Chỉnh định bộ điều khiển trong chế độ khởi động [CT1, 2]   97 

3.4.1. Giới thiệu   97 

3.4.2. Nhận dạng đối tượng và tổng hợp bộ điều khiển vòng trong   99 

3.4.3. Nhận dạng đối tượng và tổng hợp bộ điều khiển vòng ngoài  99 

3.5. Phương pháp chỉnh định đối tượng nhiệt điện đang làm việc  100 

3.5.1. Giới thiệu   100 

3.5.2. Đặc tính mềm của hệ tầng hai vòng   100 

3.5.2.1. Đặc tính mềm của hệ tương đương R1   100 

3.5.2.2. Đặc tính mềm của hệ tương đương R2   102 

3.5.3. Tính bất định của đặc tính mềm và độ bền vững của hệ thống   103 

3.5.4. Phương pháp xác định đặc tính mềm “xấu nhất”   104 

3.5.5. Phương pháp chỉnh định theo đặc tính mềm xấu nhất [CT6]   105 

3.5.5.1. Phương pháp đề xuất   105 

3.5.5.2. Tổng hợp các bộ điều chỉnh cho thành phần cơ sở   106 

3.5.5.3. Chỉnh định bộ điều khiển theo đặc tính mềm xấu nhất   111 

3.6. Minh họa phương pháp chỉnh định   113 

3.6.1. Tổng hợp các bộ điều khiển cho thành phần cơ sở   114 

3.6.2. Chỉnh định bộ điều khiển theo đặc tính mềm xấu nhất   115 

3.6.3. Chất lượng hệ thống điều khiển   117 

3.7. Kết quả và bàn luận  118 

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3   119 

4.1. Giới thiệu   120 

4.2. Thực nghiệm từ số liệu thực nhà máy nhiệt điện   120 

4.3. Thực nghiệm phương pháp trên mô hình thí nghiệm   123 

4.3.1. Mô hình thí nghiệm   123 

4.3.2. Cấu trúc điều khiển   125 

4.3.3. Các thiết bị trong hệ thống thí nghiệm   126 

4.3.4. Bộ điều khiển PID số hệ điều khiển tầng   127 

4.3.5. Phần mềm điều khiển hệ thống   128 

4.3.6. Thực nghiệm trên hệ thống   131 

4.3.6.1. Xây dựng đặc tính thiết bị   131 

4.3.6.2. Tổng hợp bộ điều khiển và kiểm tra hệ thống   133 

4.4. Kết quả và thảo luận   141 

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4   142 

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ   143 

Các kết quả đạt được của luận án   143 

Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo   143 

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐàCÔNG BỐ   151 

LỜI CAM ĐOAN

Tôi  xin  cam đoan  đây  là  công  trình nghiên cứu của  riêng  cá  nhân tôi.  Công trình được thực dưới sự hướng dẫn của  PGS.TSKH  Nguyễn Văn Mạnh .  Kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được công bố bởi tác giả nào khác.    

      Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2018         

Người hướng dẫn khoa học 

   

         Tác giả    

Đỗ Cao Trung PGS TSKH Nguyễn Văn Mạnh

LỜI CẢM ƠN

Tôi  xin bày  tỏ  lòng biết ơn  chân  thành  và  sâu  sắc nhất  đến  Thầy  hướng  dẫn PGS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh đã tận tình hướng dẫn và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.  

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Trường ĐH Bách Khoa HN, Phòng đào tạo Trường ĐH Bách Khoa HN, Viện KH&CN Nhiệt-Lạnh, Bộ môn TĐH&ĐK quá trình Nhiệt-Lạnh, Xưởng chế tạo thiết bị áp lực (Viện KH&CN Nhiệt-Lạnh) đã 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Cấu hình điển hình một tổ máy NMNĐ [92]  5 

Hình 1.2. Sơ đồ nhiệt nguyên lý một tổ máy NMNĐ  6 

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý lò hơi đốt than phun 8 

Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý lò hơi tầng sôi tuần hoàn 9 

Hình 1.5. Ảnh hưởng tương hỗ thông số quá trình lò hơi   10 

Hình 1.6. Đáp ứng của áp suất hơi và công suất với lưu lượng nhiên liệu   12 

Hình 1.7. Cấu trúc điều khiển cơ bản trong NMNĐ [76]   14 

Hình 1.8. Cấu trúc cơ bản hệ thống điều khiển NMNĐ   15 

Hình 1.9. Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin lò theo máy [82]   16 

Hình 1.10. Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin máy theo lò [82]   16 

Hình 1.11. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tải lò hơi   17 

Hình 1.12. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cấp không khí cho buồng đốt   17 

Hình 1.13. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mức nước bao hơi [4]   18 

Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt [82]   19 

Hình 1.15. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt   20 

Hình 1.16. Cấu trúc điển hình điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ   20 

Hình 1.17 Phương pháp chỉnh định trong mạch vòng hở [84]   23 

Hình 1.18. Phương pháp Zigler-Nichols 2 [84]  23 

Hình 1.19. Phương pháp suy giảm giao động [84]   24 

Hình 1.20. Nguyên lý phương pháp PID tự chỉnh [82]   28 

Hình 1.21. Nguyên lý gain-scheduling PID [82]   29 

Hình 1.22. Đặc tính động học quá trình nhiệt NMNĐ   32 

Hình 1.23. Đặc tính động học đặc trưng quá trình nhiệt có tự cân bằng   32 

Hình 1.24. Đáp ứng xung bậc thang của áp suất hơi khi tănglưu lượng nhiên liệu . 33  Hình 1.25. Đáp ứng xung bậc thang của công suất khi tăng/giảm góc ở van TV   33 

Hình 1.26 Đặc tính quá độ của đối tượng nhiệt có quá điều chỉnh   34 

Hình 1.27. Đặc tính lưu lượng (a) và đặc tính thời gian (b) của van  34 

Hình 1.28. Đặc tính thời gian của van điều khiển   35 

Hình 1.29. Đặc tính động học của mức nước bao hơi   36 

Hình 1.30. Đặc tính đối tượng nhiệt không có tự cân bằng   36 

Hình 1.31. Đặc tính cơ sở và điểm biến thiên bất định  38 

Hình 1.32. Đồ thị các bán kính bất định và đường phủ trên [88]   39 

Hình 1.33 Hệ điều khiển kín một vòng   40 

Hình 1.34. Biến thiên của chỉ số dao động mềm theo tần số.   41 

Hình 1.35. Đường biên mềm AOB   42 

Hình 1.36. Đường cong đặc tính mềm của hệ hở m = mc = 0,461   44 

Hình 2.1. Đặc tính quá độ đặc trưng của các quá trình nhiệt NMNĐ.   46 

Hình 2.2 Đặc tính quá độ chữ “S” của quá trình có tự cân bằng  46 

Hình 2.3. Phân tích đặc tính của đối tượng không có tự cân bằng   48 

Hình 2.4 Phân tích đặc tính chữ “S” của quá trình có tự cân bằng   50 

Hình 2.5. Cấu hình điều khiển tầng quá trình nhiệt NMNĐ   51 

Hình 2.6. Xung chữ nhật với τ = 0.3, T = 1, u0 = 1   52 

Hình 2.7. Xung parabol với τ = 0,2, a = 1, u0 = 1  53 

Hình 2.8. Xung tam giác với τ = 0.5, T = 1, u0 = 1   53 

Hình 2.9. Đặc tính thời gian và đường gấp khúc xấp xỉ   55 

Hình 2.10. Xung tam giác với τ = 0.5, T = 1, u0 = 1   56 

Hình 2.11. Đặc tính tần số đặc trưng của đối tượng có tự cân bằng   62 

Hình 2.12. Giải tần số bản chất đối tượng có tự cân bằng   62 

Hình 2.13. Giải tần số bản chất đối tượng không có tự cân bằng   63 

Hình 2.14. Sự hình thành hướng cải tiến được   64 

Hình 2.15. Lưu đồ thuật toán tối ưu hóa vượt khe theo hướng trực giao tựa nón   65 

Hình 2.16. Lưu đồ xác định bước vượt khe   65 

Hình 2.17.  Đáp ứng động học của đối tượng không có tự cân bằng   67 

Hình 2.18. Dạng đặc tính thời gian của  1 O  có tự cân bằng   69 

Hình 2.19. Đặc tính thời gian đối tượng không có tự cân bằng   70 

Hình 2.20. Một đặc tính thời gian của O 2 s    70 

Hình 2.21. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O1(s)   71 

Hình 2.22. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị và đặc tính tần số của O1(s) và O1’(s) . 72  Hình 2.23. Đáp ứng xung bậc thang của đối tượng O2(s)   73 

Hình 2.24. Đặc tính quá độ và tần số của O2(s) và đối tượng xấp xỉ O2’(s)   73 

Hình 2.25. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O3(s)   74 

Hình 2.26. Đặc tính động học và tần số của O s 3  và  '   3 O s ,  '  3 ' O s ,  '  3 '' O s    75 

Hình 2.27. Đặc tính động học và tần số của O s 3  và  (1)  3 O s ,  (2)  3 O s    76 

Hình 2.28. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O4(s)   76 

Hình 2.29. Đặc tính động học và tần số của O4(s) và O’4 (s)   77 

Hình 2.30. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O5(s)   78 

Hình 2.31. Đặc tính động học và tần số của O s 5  và  '   5 O s ,  '  5 ' O s    78 

Hình 2.32. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O6(s)   79 

Hình 2.33. Đặc tính động học và tần số của O 6 s  và  '   6 O s ,  '  6 ' O s    80 

Hình 2.34. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O7(s)   80 

Hình 2.35 Đáp ứng động học xung bậc thang của các đối tượng  81 

Hình 2.36. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O8(s)   82 

Hình 2.37 Đáp ứng xung bậc thang của các đối tượng   82 

Hình 2.38. Đáp ứng xung bậc thang và đặc tính tần số của các đối tượng   83 

Hình 2.39. Cấu hình điều khiển tầng quá trình nhiệt NMNĐ   83 

Hình 2.40. Mức biến đổi áp suất hơi theo nhiên liệu cấp lò [79]   84 

Hình 2.41. Đặc tính thời gian y1(t)   85 

Hình 2.42. Đặc tính tần số Y1(s)   86 

Hình 2.43. Đặc tính thời gian y2(t)   86 

Hình 2.44. Đặc tính tần số Y2(s)   86 

Hình 2.45. Ảnh tần số O1(s)   87 

Hình 2.46. Đặc tính tần số O1(s) và kết quả nhận dạng   87 

Hình 2.47. Bán kính bất định của O s1( ) (ω = 0,5÷3)   87 

Hình 2.48. Đặc tính tần số O2(s) và kết quả nhận dạng   88 

Hình 2.49. Biến thiên thời gian của mô hình   88 

Hình 2.50. Biến thiên tần số của mô hình gốc O1 s    89 

Hình 2.51. Biến thiên thời gian của mô hình gốc O2 s    89 

Hình 2.52. Biến thiên tần số của mô hình gốc O2 s  90 

Hình 3.1 Hệ điều khiển kín một vòng   94 

Hình 3.2. Đường biên mềm A’OB’ khi giảm chỉ số dao động   94 

Hình 3.3. Đặc tính mềm với ω = 0 → +∞   95 

Hình 3.4 Biến thiên của f(x) theo x   97 

Hình 3.5. Cấu trúc hệ thống khi có bộ điều khiển   97 

Hình 3.6. Cấu trúc hệ thống khi không có bộ điều khiển   98 

Hình 3.7. Xung bậc thang đầu vào và đáp ứng quá trình   98 

Hình 3.8. Cấu trúc tương đương của bộ điều khiển R1   101 

Hình 3.9. Hệ một vòng tương đương của bộ điều khiển R1   101 

Hình 3.10. Hệ tương đương của bộ điều khiển R1 cho thành phần cơ sở [23]   101 

Hình 3.11. Hệ một vòng tương đương của bộ điều khiển R1   102 

Hình 3.12. Cấu trúc tương đương của bộ điều khiển R2   102 

Hình 3.13. Hệ một vòng tương đương của bộ điều khiển R2   102 

Hình 3.14. Biến thiên của đặc tính mềm hệ bất định   103 

Hình 3.15. Đặc tính của khâu tương đương   107 

Hình 3.16. Đặc tính mềm H1( m ω   jω)   109 

Hình 3.17. Hệ một vòng tương đương của bộ điều khiển R1   109 

Hình 3.18 Hệ số k bổ sung trong mạch vòng   109 

Hình 3.19. Đặc tính mềm với ω = 0 → +∞   110 

Hình 3.20. Chỉnh định theo đặc tính mềm   111 

Hình 3.21. Đặc tính mềm hệ hở bất định   113 

Hình 3.22. Hệ thống điều khiển áp suất hơi   114 

Hình 3.23. Cấu trúc tương đương của bộ điều khiển R1   114 

Hình 3.24. Đặc tính quá độ của đối tượng tương đương W1tđ   115 

Hình 3.25. Đặc tính mềm H1( m ω   jω) của hệ hở tương đương  115 

Hình 3.26. Đặc tính mềm xấu nhất  2 ( m ω ω) H   j    116 

Hình 3.27. Đặc tính mềm xấu nhất  1 ( m ω ω) H   j    116 

Hình 3.28. Đặc tính mềm cơ sở và xấu nhất của R2(s)   117 

Hình 3.29. Đặc tính mềm cơ sở và xấu nhất của R1(s)   117 

Hình 3.30. Đặc tính mềm cơ sở và xấu nhất của R1(s)   118 

Hình 4.1. Cấu trúc điều khiển áp suất hơi quá nhiệt   121 

Hình 4.2. Đặc tính thời gian của u2(t) và y2(t) từ lần đo thứ nhất   121 

Hình 4.3. Đặc tính tần số của  2 ( ) O s  từ lần đo thứ nhất   121 

Hình 4.4. Tổng hợp các đặc tính tần số của  2 ( ) O s  và kết quả nhận dạng   122 

Hình 4.5. Đặc tính thời gian của y2(t) và y1(t) từ lần đo thứ nhất   122 

Hình 4.6. Đặc tính tần số của  1( ) O s  từ lần đo thứ nhất   123 

Hình 4.7 Tổng hợp đặc tính tần số của  1 ( ) O s  và kết quả nhận dạng   123 

Hình 4.8. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm   124 

Hình 4.9. Mô hình thí nghiệm lắp đặt   124 

Hình 4.10. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ tuabin  125 

Hình 4.11. Cấu trúc hệ thống khi có bộ điều khiển   125 

Hình 4.12. Đồ thị rời rạc hóa tín hiệu của bộ điều chỉnh PID số [15, 17]   127 

Hình 4.13. Lưu đồ thuật toán lấy số liệu (Data collection)   128 

Hình 4.14. Lưu đồ thuật toán điều khiển tốc độ tuabin   129 

Hình 4.15. Giao diện phần mềm thu thập dữ liệu  130 

Hình 4.16. Giao diện phần mềm điều khiển tốc độ tuabin   131 

Hình 4.17. Đặc tính van điều khiển và tốc độ tuabin   131 

Hình 4.18. Đặc tính thời gian thông số lưu lượng nước   132 

Hình 4.19. Đặc tính thời gian thông số tốc độ tuabin   132 

Hình 4.20. Đặc tính tần số của đối tượng O s1( ) và kết quả nhận dạng   133 

Hình 4.21. Cấu trúc điều khiển với vòng trong tự động   134 

Hình 4.22. Xác định các tham số BĐK số trên giao diện   134 

Hình 4.23. Đặc tính điều chỉnh tốc độ tuabin khi giảm 20% công suất   135 

Hình 4.24. Đặc tính tăng tốc độ tuabin   135 

Hình 4.25. Nhận dạng đối tượng bất định O2   136 

Hình 4.26. Nhận dạng đối tượng bất định  1 O    136 

Hình 4.27. Đặc tính mềm của hệ hở ứng với R1(s)  137 

Hình 4.28. Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với R2(s)   138 

Hình 4.29. Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với R1(s)   138 

Hình 4.30. Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với BĐK R2(s) mới   139 

Hình 4.31. Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với BĐK R1(s) mới   139 

Hình 4.32. Đặc tính điều chỉnh của hệ thống   139 

Hình 4.33. Đặc tính điều chỉnh tốc độ tuabin khi giảm 25% công suất tải   140 

Hình 4.34. Đặc tính điều chỉnh tốc độ tuabin khi tăng 25% công suất tải  141

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của đề tài

Cơ  cấu  nguồn  năng  lượng  hiện  tại  của  Việt  Nam,  riêng  NMNĐ  đốt  than  đã chiếm khoảng 30% tổng công suất. Theo quy hoạch, đến 2030 thì NMNĐ sẽ chiếm trên 50% tổng sản lượng điện [22]. Trên thế giới, NMNĐ đốt than hiện cũng chiếm khoảng 40%, NMNĐ khí khoảng 20% tổng sản lượng.  

Đặc trưng chung của các quá trình nhiệt trong NMNĐ là phi tuyến [13, 48, 72, 

73, 76, 79]. Tính chất  này cùng với đặc điểm tác động tương hỗ phức tạp của các thông số dẫn đến đặc trưng phức tạp hơn của quá trình nhiệt trong NMNĐ là tính bất định.  

Với  đặc  thù  công  nghệ  là  hệ  nhiều  thông  số  vào/ra, phức  tạp,  tác  động  trực tiếp,  gián  tiếp  lẫn  nhau,  trải  qua  thời  gian dài  phát  triển, hệ  thống điều  khiển quá trình nhiệt trong NMNĐ được phân rã thành những hệ con một đầu vào, một đầu ra SISO (Single input/Single output) sử dụng các bộ điều khiển PID (bao gồm cả P, PI, PD) được nghiên cứu [36, 40, 41, 42, 69, 73, 76, 80, 82], kiểm nghiệm thực tế, thừa nhận và sử dụng rộng rãi [30, 43, 44, 54, 62, 67, 68, 74, 84].   

Các hệ SISO có thể là một vòng hoặc tầng hai vòng (cascade), trong đó hệ hai vòng  chiếm  phần  lớn  và  được  sử  dụng  để  điều  khiển những  thông  số  quan  trọng nhất của tổ máy. Hệ thống gồm nhiều mạch vòng điều chỉnh cho từng tham số quá trình,  đối  với  mỗi  vòng  điều  chỉnh  tín  hiệu  tác  động  trực  tiếp  sẽ  là  tín  hiệu  điều khiển còn tín hiệu tác động khác sẽ được xác định là nhiễu. 

Phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID phổ biến là dựa vào kinh nghiệm chuyên gia [76]. Công việc được thực hiện tại một mức tải vận hành cụ thể nào đó của  NMNĐ  và  thường ở mức  tải định mức. Các  tham  số bộ điều  khiển được  tính toán và cài đặt cố định cho hệ thống. Khi tổ máy phải làm việc trong điều kiện phụ tải biến đổi, đặc biệt trong dải rộng, tăng/giảm công suất lớn sẽ làm cho các tham số quá trình tác động tương hỗ mạnh, tính chất phi tuyến của quá trình/đối tượng thể hiện rõ, đặc tính của hệ thống khác xa so với điều kiện chỉnh định ban đầu thì tính đáp ứng của hệ thống bị suy giảm rõ rệt, không vận hành tự động được, ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng vận hành ổn định và hiệu suất của nhà máy. Ngoài ra, tham 

số bộ điều  khiển  thường  không được  cập  nhật,  chỉnh định  lại  trong  vòng đời  làm việc  của  NMNĐ  cũng  ảnh hưởng  rất nhiều đến  chất lượng  làm  việc  của  hệ  thống khi mà đặc tính của quá trình/thiết bị nhiệt đã thay đổi rất khác theo thời gian so với thời điểm chỉnh định lúc  xây dựng nhà máy.  Các NMNĐ ở Việt Nam là  những ví 

dụ rõ ràng cho các đặc điểm kể trên.  

Để khắc phục các hạn chế trong chỉnh định bộ điều khiển, giúp hệ thống vận hành tốt trong chế độ phụ tải biến đổi, khoảng hai thập kỷ qua rất nhiều nghiên cứu 

đã được công bố. Các nghiên cứu này tập trung vào hai hướng phát  triển là: nâng cao chất lượng chỉnh định bộ điều khiển PID trong cấu hình SISO truyền thống và thiết kế, chỉnh định bộ điều khiển NMNĐ trong cấu hình nhiều đầu vào/ra MIMO (Multi-input/Multi-output).  Trong  đó  điều  khiển  PI/PID  nâng  cao  trong  cấu  hình SISO  có  lợi  thế  là  không  làm  thay  đổi  cấu  trúc  điều  khiển  đã  được  thiết  kế  cho những  NMNĐ  đã  được  xây  dựng  cũng  như  không  làm  thay  đổi  gì  quy  trình  vận hành đã có của NMNĐ.    

Cùng với hướng nghiên cứu này, tác giả lựa chọn đề tài: Nghiên cứu phương pháp chỉnh định hệ thống điều khiển quá trình nhiệt điện trong điều kiện phụ tải biến đổi. 

Nghiên cứu sẽ tập trung vào phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID nhằm nâng  cao độ bền vững  của hệ  thống điều khiển quá  trình nhiệt  điện.  Trong đó, lý thuyết bộ điều khiển bền vững [20, 88] sẽ được nghiên cứu áp dụng. Lý thuyết này cho phép định  lượng được độ dao động  của  hệ  thống nên  có nhiều hứa hẹn  trong việc chỉnh định bộ điều khiển đảm bảo hệ ổn định trong dải biến thiên rộng, xử lý hiệu quả vấn đề bất định đặc trưng của quá trình nhiệt NMNĐ. Đây cũng là ưu điểm nổi trội của phương pháp này so với hai phương pháp chỉnh định thường được dùng trong công nghiệp. Đối với nhóm phương pháp của Zigler-Nichol 1&2 [14, 85] cho phép chỉnh định bộ điều khiển đảm bảo chỉ số dao động không thay đổi ở mức 0,22. Trong khi nhóm mô hình nội IMC (Internal Model Control) của Morari, Zafiriou và SIMC (Simple Internal Model Control) [5, 28, 77] cho phép tổng hợp bộ điều khiển 

có độ bền vững tương đối cao (hơn so với nhóm thứ nhất). Tuy nhiên, những thay đổi yêu cầu độ bền vững của hệ thống cũng luôn là vấn đề của nhóm phương pháp này đồng thời chỉ số dao động của hệ  thống cũng không thể  xác định trước được. Nếu áp dụng cho bài toán tổng hợp bộ điều khiển trong điều kiện phụ tải biến đổi, đặc  biệt  là  biến  đổi  mạnh  thì  về  bản  chất  phương  pháp  Zigler-Nichol  cho  phép chỉnh định hệ thống đảm bảo độ dự trữ ổn định kém. Nhóm phương pháp IMC cho 

hệ thống với độ bền vững rất phụ thuộc vào mô hình và không định trước được độ bền vững của hệ thống như mong muốn.  

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu:

Hệ  điều  khiển  quá  trình  nhiệt  một  đầu  vào,  một  đầu  ra  (SISO-single input/single  output)  cấu  trúc  tầng  trong  NMNĐ,  trong  đó  các  quá  trình  nhiệt  sẽ được xét theo bản chất bất định và phi tuyến, tính chất này thể hiện rõ khi hệ thống làm việc trong điều kiện phụ tải biến đổi và biến đổi mạnh.  

 Tính toán, kiểm nghiệm phương pháp trên phần mềm và số liệu thực tế thu thập tại NMNĐ.  

Kết quả của đề tài là nền tảng lý thuyết để xây dựng hệ điều khiển thích nghi.  

Ý nghĩa thực tiễn:

 Phương pháp mô hình hóa và chỉnh định hệ thống được đề xuất có tiềm năng sử dụng tốt cho NMNĐ. Thực tế trong luận án đã được sử dụng hiệu quả cho số liệu từ NMNĐ và mô hình thí nghiệm. 

 Đơn  giản  hóa  và  giảm  chi  phí  cho  công  tác  chỉnh  định  hệ  thống  điều khiển trong Nhà máy nhiệt điện. 

5 Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu

Luận án giải quyết bài toán chỉnh bộ điều khiển PID cho quá trình nhiệt điện khi phụ tải biến đổi làm tính chất bất định, phi tuyến của đối tượng thể hiện rõ rệt, bằng cách sử dụng mô hình bất định và lý thuyết bộ điều khiển bền vững [88]. Luận 

án  lần  đầu  tiên  xây  dựng  hoàn  chỉnh  hệ  thống  phương  pháp  nhận  dạng  và  chỉnh định  bộ điều  khiển  cho  hệ  thống điều  khiển  quá  trình  nhiệt hệ  SISO  cấu  trúc  hai tầng từ nền tảng lý thuyết này. Kết quả đạt được của luận án bao gồm:   

1) Xây dựng phương pháp số sử dụng thuật toán tối ưu hóa vượt khe để nhận dạng đối tượng điều khiển quá trình nhiệt điện trong vòng hở và vòng kín. 2) Xây dựng phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID cho quá trình nhiệt điện cấu trúc SISO hai tầng trong chế độ khởi động và chế độ đang làm việc, cho phép lựa chọn trước “chỉ số bền vững” của hệ thống với khoảng lựa chọn tối ưu là [0,132÷2,318].  

Phương pháp xây dựng phù hợp với cấu hình hệ thống điều khiển đang được 

sử dụng thực tế trong NMNĐ, có khả năng ứng dụng cao. Bộ điều khiển sẽ có khả năng thích nghi trong điều kiện biến thiên rộng của phụ tải và đặc  tính đối tượng, làm việc ổn định lâu dài theo vòng đời vận hành của NMNĐ

6 Cấu trúc của luận án

Luận án được cấu trúc thành năm chương, bao gồm: 

Chương 1: Tổng quan về chỉnh định hệ thống điều khiển quá trình nhiệt điện Chương 2: Phương pháp nhận dạng quá trình nhiệt điện 

Chương 3: Phương pháp chỉnh định bộ điều khiển quá trình nhiệt điện 

Chương 4: Thực nghiệm kiểm chứng 

Sau đó là phần kết luận nêu các đóng ghóp mới của luận án và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo. Tiếp đến là phần tài liệu tham khảo, các công trình khoa học 

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHỈNH ĐỊNH HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐIỆN

1.1 Tổng quan về công nghệ nhiệt điện

Nhà  máy  nhiệt  điện  (NMNĐ)  là  một  dây  chuyền  công  nghệ  biến  đổi  nhiệt năng  khi đốt  các  nhiên  liệu  hữu  cơ  (than,  dầu,  khí…)  thành  điện năng  [11].  Hiện trên thế giới NMNĐ đốt than chiếm khoảng 40%, NMNĐ khí khoảng 20% tổng sản lượng.  Tại  Việt  nam,  riêng  NMNĐ  đốt  than  là  khoảng  30%,  đến  2030  sẽ  là  trên 50% tổng sản lượng điện [22]. 

Nguyên  lý  làm  việc  cơ  bản  của  NMNĐ  như  sau:  Năng  lượng  được  tàng  trữ dưới dạng  liên  kết hóa học  của  nhiên  liệu  hóa thạch  được  đưa  vào  lò hơi  để  biến thành cơ năng của hơi, năng lượng hơi được sinh công quay tuabin. Rôto máy phát được nối trục với tuabin, stato được cấp kích từ và máy phát sẽ phát ra năng lượng điện. 

1.1.1 Nguyên lý làm việc cơ bản của NMNĐ đốt than

Sơ đồ nhiệt nguyên lý (mặt cắt đứng) một tổ máy nhiệt điện được thể hiện tại hình 1.1  [92],  và hình 1.2  thể  hiện  sơ  đồ nhiệt  nguyên  lý  của  tổ máy  gồm một lò hơi,  một  tuabin/máy  phát,  loại  lò  hơi  đốt  than  có  bao hơi  (drum).  Nguyên  lý  làm việc cơ bản của hệ thống như sau: 

  

Nhiên liệu than (coal fuel) từ phễu than (coal bunker) được cấp tới các vòi đốt (burner) trên vách lò hơi (waterwall). Khi các vòi đốt làm việc, nước trong các ống 

ở  vách  lò hơi  sẽ  hóa hơi  thành hơi  bão hòa  (statured  steam),  hơi này  sẽ  được dẫn vào bao hơi của lò hơi. Vòng tuần hoàn nước hơi này có thể là tuần hoàn tự nhiên hoặc  cưỡng bức  (dùng bơm). Từ bao  hơi, hơi  bão hòa  sẽ  đi qua  các  dàn  ống quá nhiệt  (superheater).  Hơi  đi  trong  ống  sẽ  được  gia  nhiệt  bằng  khói  thải  (flue  gas) được  hút  từ  buồng  đốt  (furnance).  Hơi quá  nhiệt  sẽ  được  đưa  sang  tuabin  cao  áp (high pressure  cylinder-HPC),  hơi quá nhiệt  khi  tới  tuabin  cao  áp  còn được  gọi  là hơi mới (live steam). Trước tuabin cao áp sẽ có các van điều khiển cấp hơi (throttle valve-TV) để điều chỉnh dòng hơi cấp vào tuabin cao áp, ngoài ra còn có van chặn (stop valve). Hơi thoát từ tuabin cao áp lại được đưa về hệ thống tái nhiệt (reheater) của  lò  hơi  để  gia  nhiệt,  sau  đó  dẫn  về  tuabin  trung  áp  (intermediate  pressure cylinder-IPC).  Hơi  sau khi  ra khỏi  tuabin  trung  áp được  dẫn  về  tuabin hạ  áp  (low pressure cylinder-LPC) qua ống nối trực tiếp (crossover) giữa hai thân tuabin này. Hơi thoát từ tuabin hạ áp sẽ được ngưng tại bình ngưng (condenser) bằng nước làm mát (cooling water) hoặc tháp làm mát (cooling tower).   

FDF) được thổi các bộ sấy không khí (air heater) để gia nhiệt rồi đưa vào buồng đốt 

Không khí (combustion air) được cấp vào lò hơi từ quạt gió (force draft fan-để đốt cháy nhiên liệu.  Khói từ buồng đốt được quạt khói (induced draft fan-IDF) hút  đi  qua  các  bộ  quá  nhiệt,  tái  nhiệt,  bộ  hâm,  bộ  sấy  không  khí,  bộ  khử  bụi 

Hình 1.2 Sơ đồ nhiệt nguyên lý một tổ máy NMNĐ

Nước  ngưng  (condensated  water)  từ  bình  ngưng  được  bơm  ngưng  (condensate pump) bơm tới các bộ gia nhiệt hạ áp (low pressure heater-LPH). Nước qua các bộ gia nhiệt này được gia nhiệt bằng hơi trích từ các cửa trích (extractor) từ tuabin (hạ áp và trung áp), sau đó tới bình khử khí (deaerator) để tách khí hòa tan ra khỏi nước (tránh ăn mòn thiết bị và đường ống dẫn). Nước qua bình khử khí cũng 

sẽ được gia nhiệt bằng hơi trích từ tuabin trung áp, khi ra khỏi bình khử khí sẽ được bơm cấp (boiler feed pump-BFP) bơm tới các bình gia nhiệt cao áp (high pressure heater-HPH) để tiếp tục gia nhiệt. Tại đây nước cấp tiếp tục được gia nhiệt bằng hơi trích  từ  tuabin  cao  áp  hoặc  đường  hơi  tái  nhiệt  (reheat  steam).  Sau  đó  nước  cấp được đưa tới bộ hâm nước (economizer) để  gia  nhiệt bằng khói thải  trước  khi vào bao hơi. Van điều khiển nước cấp (control valve-CV) sẽ được bố trí giữa bơm cấp 

-    Dưới tới hạn (Subcritical): áp suất hơi mới 16,7MPa, nhiệt độ quá nhiệt/tái nhiệt 538°C/538°C. 

-    Siêu tới hạn (Supercritical): áp suất hơi mới 24,2MPa, nhiệt độ quá nhiệt/ tái nhiệt 566°C/566°C. 

-    Trên  siêu  tới  hạn  (Ultra-supercritical):  áp  suất  hơi  mới  31MPa,  nhiệt  độ quá nhiệt/ tái nhiệt 600°C/600°C. 

Hiện nay trên thế giới, các nhà máy nhiệt điện thông số hơi dưới tới hạn vẫn là chủ đạo kể cả ở những nước phát triển, nhưng xu hướng sử dụng thông số siêu tới hạn ngày càng phổ biến, nhất là ở những nơi giá nhiên liệu đắt và phải chịu nhiều sức  ép  cắt  giảm  khí  nhà  kính.  Thông  số  hơi trên  siêu  tới  hạn  cũng  rất  được quan tâm, nhưng còn gặp nhiều trở ngại về việc  phát  triển các vật liệu cao cấp cho chế tạo lò hơi và tuabin. 

1.1.3 Công nghệ đốt than của lò hơi NMNĐ

1.1.3.1 Công nghệ đốt than phun (Pulverized Coal - PC)

Công  nghệ  đốt  than  phun  là  công  nghệ  truyền  thống  được  áp  dụng  rộng  rãi nhất trong các NMNĐ đốt than và chiếm chủ yếu trong các NMNĐ ở Việt Nam. 

Trong lò hơi công nghệ này, than bột mịn được cấp vào buồng đốt bằng không khí nóng qua  các  vòi đốt  gắn  trên  vách.  Trong  buồng đốt  than bột được  gia nhiệt nhanh chóng làm chất bốc thoát ra biến các hạt than thành các hạt xốp gồm tro xỉ và cốc (các-bon).  Chất  bốc dễ  cháy nên cháy trước làm tăng tốc  độ gia nhiệt hạt cốc đến nhiệt độ bắt cháy. Để cháy hiệu quả đòi hỏi phải đảm bảo tỷ lệ hợp lý các loại gió,  than bột  và không  khí được hòa  trộn  kỹ,  nhiệt độ buồng đốt cao,  và  than bột được lưu lại trong buồng đốt với thời gian đủ lớn để hoàn tất phản ứng. Nhiệt độ đốt điển hình của lò đốt than phun là 1300°C đến 1700°C.  

Lò hơi than phun được sản xuất với rất nhiều gam công suất, từ vài chục đến 

cỡ 1300MW. Các lò hơi đang vận hành hiện nay phổ biến là trong dải công suất từ 300600MW  thông  số  cận  tới  hạn  (16,7MPa,  538oC/538oC),  tuy  nhiên  xu  hướng hiện nay của thế giới là sử dụng các tổ máy lớn với thông số siêu tới hạn (24,2MPa, 

566oC/566oC) và trên siêu tới hạn (31MPa, 600oC/600oC). 

Về mặt cấu tạo, lò hơi than phun được sản xuất với nhiều kiểu khác nhau: kiểu bao  hơi  có  các  loại  tuần  hoàn  tự  nhiên,  tuần  hoàn  tự  nhiên  có  hỗ  trợ,  tuần  hoàn cưỡng bức, kiểu trực lưu (các lò thông số hơi siêu tới hạn và trên siêu tới hạn). 

 

1.1.3.2 Công nghệ đốt tầng sôi tuần hoàn (CFB)

Công nghệ tầng sôi tuần hoàn (Circulating Fluidized Bed – CFB) hiện nay là 

dạng công nghệ tầng sôi phổ biến nhất cả trong công nghiệp cũng như NMNĐ. Với lò CFB, than và đá vôi đập nhỏ được đưa đồng thời vào phần dưới buồng đốt có nhiệt độ từ 8500C đến 9500C. Do dòng khí áp suất cao thổi từ dưới lên qua các vòi phun gió tạo tầng sôi bố trí trên ghi lò cũng chính là sàn buồng đốt, vật liệu lớp sôi (than, tro xỉ, đá vôi) bị khuấy đảo dữ dội. Phần lớn vật liệu lớp sôi được khói 

lò cuốn lên trên và ra khỏi buồng đốt, chỉ một phần nhỏ ở lại trong lớp sôi. Phần bị 

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý lò hơi đốt than phun

1 Buồng đốt

2 Giàn quá nhiệt bức xạ

3 Giàn quá nhiệt đối lưu

4 Bộ quá nhiệt trung gian 5.Đường khói

cuốn theo khói lò được gom lại bởi các xyclon hiệu suất cao rồi đưa trở lại buồng đốt qua các đường hồi lưu. Sự tuần hoàn của các hạt than trong mạch sơ cấp (gồm buồng đốt, xyclon và  đường  hồi  lưu)  tiếp diễn  cho đến  khi  kích  thước  hạt  nhỏ đi (chủ  yếu  do  cháy và  một  phần do  cọ  sát)  đến mức  thoát  khỏi  xyclon đi  vào  phần đường  khói đuôi lò.  Tro  xỉ lẫn thạch  cao  tạo ra  do quá  trình  cháy  một phần được thải ra ngoài qua hệ thống thải tro xỉ đáy lò, còn lại phần lớn thoát khỏi xyclon bay theo khói lò và được thu gom tại thiết bị khử bụi tĩnh điện. Quá  trình “tuần hoàn” như vậy kéo dài thời gian lưu lại của các hạt than trong vùng có nhiệt độ cao, giúp tăng mức độ cháy kiệt. 

Các lò CFB chấp nhận chất  lượng nhiên liệu biến thiên trong dải rất rộng có thể đốt các loại nhiên liệu có độ ẩm cao, như các loại bùn và sinh khối khác nhau, 

1.2 Đặc trưng của quá trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện

1.2.1 Tính phức tạp và tương hỗ của thông số quá trình

Xét mô hình lò hơi với các thông số vào/ra như trên hình 1.5. 

  

B  cũng  ảnh  hưởng  tới  các  thông  số đầu  ra  khác  của  lò  hơi như  nhiệt  độ  hơi  quá nhiệt  (tqn)  do  nhiệt  lượng  trong  buồng  đốt  tăng,  hàm  lượng  Oxy  trong  khói  thải (%O2) do cần nhiều hơn để đốt cháy nhiên liệu. Ngoài ra việc tăng lưu lượng nhiên liệu cũng sẽ làm tăng lưu lượng hơi quá nhiệt sinh ra trong lò hơi. 

Việc tăng lưu lượng nhiên liệu cũng sẽ làm tăng lưu lượng không khí cấp vào buồng đốt, việc này  sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến %O2 trong khói thải, ngoài ra còn ảnh hưởng đến áp suất buồng đốt Pbl cũng như hàm lượng %NOx được sinh ra. 

Hình 1.5 Ảnh hưởng tương hỗ thông số quá trình lò hơi

Với lưu lượng nước cấp Wnc, khi thay đổi sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến mức bao hơi Hbh, ngoài ra còn ảnh hưởng gián tiếp đến lưu lượng hơi quá nhiệt Dqn sinh ra, hay hàm lượng muối NaClx. 

Như  vậy,  xét  về  tổng  thể  tất  cả  các  thông  số  quá  trình  nhiệt  trong  lò  hơi NMNĐ đều có tác động tương hỗ, ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến nhau.      

1.2.2 Đặc trưng bất định và phi tuyến của đối tượng nhiệt trong NMNĐ

Phần  lớn  các  hệ  thống  có  trong  tự  nhiên  đều  mang  tính  phi  tuyến  [13],  đây cũng là đặc trưng chung của các quá trình nhiệt trong NMNĐ [48, 72, 73, 76, 79]. Tính chất này cùng với đặc điểm tác động tương hỗ phức tạp của các thông số dẫn đến đặc trưng thứ hai của quá trình nhiệt trong NMNĐ là tính bất định.  

Đặc trưng bất định và phi tuyến của quá trình sẽ được thể hiện rõ nhất  trong điều kiện làm việc khi phụ tải biến đổi, càng mạnh thì càng rõ rệt mạnh hay còn gọi 

là làm việc ở dải công suất rộng (plant wide-range operation) như các chế độ dưới đây. 

1.2.2.1 Phụ tải biến đổi do yêu cầu vận hành

Công suất tổ máy sẽ biến đổi trong các trường hợp:   

 Chế độ khởi động, tăng công suất đến giá trị định mức.  

 Tăng/giảm tải theo yêu cầu vận hành của lưới (đơn vị điều độ) 

Ở các mức công suất khác nhau, với cùng một tín hiệu điều khiển sẽ cho ra các đáp ứng khác nhau của thông số quá trình. Ví dụ, trong chế độ điều khiển phối hợp (CCS), các thông số cần điều khiển là áp suất hơi (quá nhiệt, hơi mới) và công suất 

sẽ được điều khiển bằng nhiên liệu cấp lò và góc mở van điều khiển hơi. Với cùng một lượng nhiên liệu được cung cấp thì mức biến động áp suất và tải tổ máy sẽ khác nhau.  

Xét  các  đáp  ứng  của  tổ  máy  nhiệt  điện  300MW  tại  Sơn  Đông,  Trung  Quốc như  trên hình 1.6  [79],  với mức  tăng  nhiên liệu 1%  thì  mức tăng  áp suất  hơi quá nhiệt  và  công suất  tổ máy  ở  bốn mức  tải 60%,  73%, 87%  và 100%  là  khác nhau. Trong đó mức biến  động  của  thông  số  áp  suất  là  nhiều hơn  so  với  thông  số  công suất.  

Tương  tự  khi  tăng  góc mở  của  van điều  khiển hơi  tuabin  1%  thì  áp suất hơi mới giảm, độ giảm càng lớn khi công suất ở mức càng thấp, còn công suất tổ máy đáp ứng tức thì tăng lên nhưng sau đó giảm về mức ban đầu, độ dao động này ở các mức tải cũng là khác nhau nhưng mức độ không lớn. 

1.2.2.2 Phụ tải biến đổi do sự cố

Sự  cố  xảy  ra khi  tổ máy  đang  làm  việc, bao gồm  sự  cố  thiết  bị chính  của  tổ máy và sự cố lưới điện. Trường hợp này sự biến đổi là mạnh và đột ngột. 

 Sự cố thiết bị chính: Khi xảy ra sự cố dừng thiết bị chính, tổ máy phải tự động giảm tải về mức vận hành an toàn (gọi là chạy “run-back” tổ máy). Mức độ giảm tải theo từng cấu hình tổ máy,  triết lý thiết kế nhưng phổ biến ở các mức 70%, 50% hoặc 30% tải định mức. Các trường hợp giảm tải sự cố phổ biến [7, 8, 9, 10]:   

(hay “rã lưới giữ tự dùng” (house load)) [7, 8, 9, 10]. Khi lưới được khôi 

phục, tổ máy sẽ nhanh chóng hòa trở lại và nâng tải.  

Hình 1.6 Đáp ứng của áp suất hơi và công suất với lưu lượng nhiên liệu

và góc mở van điều khiển hơi tuabin [79]

nó giúp tổ máy nhanh chóng phục hồi khi sự cố được khắc phục, nâng cao rất nhiều tính  sẵn  sàng  của  nhà  máy  và  lưới  điện,  giảm  chi phí  vận  hành  cho  nhà  máy  khi không phải khởi động lại tổ máy. Tuy nhiên, ở các chế độ này việc sa thải tải là rất nhanh và lớn (có thể lên tới 90%), tính bất định, phi tuyến của quá trình thể hiện rõ rệt nhất nên để đáp ứng được yêu cầu thì đòi hỏi hệ thống phải có khả năng đáp ứng 

bộ điều khiển PID (bao gồm cả P, PI, PD) [36, 40, 41, 42, 69, 73, 76, 80, 82]. Cấu trúc  này  đã  được  kiểm  nghiệm  thực  tế,  thừa  nhận  và  sử  dụng  rộng  rãi  trong  các NMNĐ [30, 43, 44, 54, 62, 67, 68, 74, 84]. 

Các hệ SISO có thể là một vòng hoặc tầng hai vòng (cascade), trong đó hệ hai vòng  chiếm  phần  lớn  và  được  sử  dụng  để  điều  khiển những  thông  số  quan  trọng nhất của tổ máy. Hình 1.7 thể hiện sơ đồ cấu trúc chính hệ thống điều khiển chính của  một  tổ  máy  nhiệt  điện  [76].  Hệ  thống  gồm  nhiều  mạch  vòng  điều  chỉnh  cho từng tham số quá trình, đối với mỗi vòng điều chỉnh tín hiệu tác động trực tiếp sẽ là tín hiệu điều khiển còn tín hiệu tác động khác sẽ được xác định là nhiễu. Ví dụ, đối với mức nước bao hơi thì lưu lượng nước cấp sẽ là thông số tác động trực tiếp trong khi đó lưu lượng hơi thoát khỏi bao hơi sẽ là tín hiệu nhiễu. 

Cấu trúc điều khiển đặc trưng của tổ máy NMNĐ được thể hiện trên hình 1.8. Bao gồm: 

- Hệ thống điều khiển phối hợp (Coodinated control system-CCS): Thiết lập các chế độ điều khiển cho toàn tổ máy, phối hợp làm việc hai hệ thống điều khiển 

lò và điều khiển turbine sao cho hoạt động của chúng là tối ưu. 

- Hệ  thống điều khiển chính lò hơi (Boiler master): Tính toán các  yêu cầu cho quá trình cháy của lò hơi: nhiên liệu, gió, áp lực buồng lửa để gửi xuống các 

bộ điều khiển cấp dưới đảm bảo áp suất hơi chính đạt tới giá trị mong muốn. Quản lý các hệ thống điều khiển nhiên liệu, gió, áp lực buồng lửa. 

- Hệ thống điều khiển chính turbine (Turbine master): Tính toán các yêu cầu về tốc  độ  turbine,  độ  mở  van  điều  chỉnh…  để  điều  khiển  hệ  thống  thủy  lực (electrohydraulic gorvernor-EHG) van điều khiển hơi tuabin (TV), điện áp cho 

hệ thống điều khiển điện áp máy phát (automatic voltage regulation-AVR). 

 

 TT:  Nhiệt  độ  hơi  quá  

1.3.1 Các hệ thống điều khiển cơ bản

1.3.1.1 Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin

Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin nhằm điều khiển cân bằng các tham số của 

tổ máy khi có yêu cầu đáp ứng tăng/giảm tải của hệ thống. Chủ yếu để đảm bảo sự cân bằng giữa năng lượng dòng hơi sản xuất từ lò hơi với dòng năng lượng hơi yêu cầu từ tuabin/máy phát để đáp ứng yêu cầu tải chính xác ở mọi thời điểm vận hành của tổ máy. Để đảm bảo yêu cầu này, hai thông số quan trọng nhất sẽ là công suất phát của tổ máy và áp suất hơi mới (hơi cấp vào tuabin, trước van điều khiển hơi). Nhiệm vụ chính của hệ thống điều khiển phối hợp (CCS) sẽ là điều khiển công suất phát của tổ máy theo yêu cầu của lưới đồng thời đảm bảo thông số áp suất hơi mới trong giá trị cho phép. Các thông số được điều khiển thông qua hai mạch vòng điều chỉnh là: điều chỉnh công suất phát của tổ máy và điều chỉnh áp suất hơi mới. 

Về mặt cấu trúc, hệ thống CCS được thiết kế theo hai chế độ là: 

-    Điều khiển phối hợp lò theo máy (Boiler-following (BF) CCS) 

-    Điều khiển phối hợp máy theo lò (Turbine-following (TF) CCS) 

Hình 1.9 thể hiện sơ đồ nguyên lý của chế độ điều khiển phối hợp lò theo máy (BF-CCS). Trong chế độ này, khi có yêu cầu điều chỉnh công suất phát của tổ máy, van điều khiển sẽ điều chỉnh dòng hơi mới để áp ứng, theo đó lò hơi sẽ điều chỉnh tải để đáp ứng yêu cầu về dòng năng lượng này. 

Hình 1.8 Cấu trúc cơ bản hệ thống điều khiển NMNĐ

Áp lực  buồng lửa 

Điều khiển 

chính tuabin 

Điều khiển  chính lò hơi 

Hệ thống  thủy lực 

nhiên liệu 

Không khí  buồng đốt 

Quạt gió  Máy cấp 

Hệ thống điều  khiển phối hợp 

Chế  độ  điều  khiển  phối  hợp  lò  theo  máy  giúp  đáp  ứng  nhanh  yêu  cầu  điều chỉnh tải,  tuy  nhiên  thường  gây quá  điều  chỉnh (dư  thừa)  công suất  của  lò  và  gây dao động nhiều cho áp suất hơi mới.     

  

Hình 1.10 thể hiện sơ đồ nguyên lý của chế độ điều khiển phối hợp máy theo 

lò  (Turbine-following  (TF)  CCS).  Khi  có  yêu  cầu  thay  đổi  công  suất  phát  của  tổ máy,  lò  hơi  sẽ  điều  chỉnh  dòng  năng  lượng  hơi  quá  nhiệt  đầu  ra  để  đáp  ứng  còn tuabin sẽ điều chỉnh van điều khiển cấp hơi để duy trì áp suất theo giá trị đặt. 

Chế  độ  điều  khiển  này  đảm  bảo  lò  hơi  luôn  cung  cấp  chính  xác  dòng  năng lượng theo  yêu cầu tải, tuy nhiên do sự vừa đủ không có mức độ dự phòng,  cùng với quán tính nhiệt lớn nên đáp ứng của lò hơi (và tổ máy) theo yêu cầu tải sẽ chậm. 

Hình 1.9 Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin lò theo máy [82]

Hình 1.10 Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin máy theo lò [82]

1.3.1.2 Điều khiển công suất lò hơi

Trong cả hai chế độ thiết kế của điều khiển phối hợp tổ máy CCS, điều khiển tải lò hơi sẽ có cấu hình như trên hình 1.11, trong đó ở chế độ BF-CCS áp suất hơi quá nhiệt theo yêu cầu của hệ thống điều khiển tuabin sẽ là tín hiệu phản hồi, còn ở chế độ TF-CCS tín hiệu này sẽ là công suất phát của tổ máy. Khi có sự chênh lệch giá trị giữa thông số quá trình và giá trị đặt lưu lượng nhiên liệu than cấp vào buồng đốt sẽ được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh tốc độ máy cấp than. Vì vậy, vòng điều khiển này còn được gọi là vòng điều khiển cấp nhiên liệu (fuel control). 

 

 

 

  

 

1.3.1.3 Điều khiển cấp không khí cho buồng đốt

Điều khiển cung cấp không khí cho buồng đốt nhằm đảm bảo quá trình cháy hiệu  quả, lưu  lượng  không  khí được  cung  cấp phải  cân bằng  với lưu  lượng nhiên liệu được cấp vào lò.  Nếu  không khí được cấp không đủ sẽ  không đảm bảo nhiên liệu được cháy kiệt, ngược lại nếu không khí được cấp dư thừa sẽ gây ra sự hấp thụ nhiệt và tổn thất nhiệt theo khói thoát ra ngoài. 

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển cấp không khí buồng đốt lò hơi được thể hiện trên hình 1.12.  

 B  + 

Bộ phận  sinh hơi 

Bộ điều  khiển 2 

Bộ điều  khiển 1 

Hình 1.12 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cấp không khí cho buồng đốt

Quạt  gió 

Vkk  + 

Buồng  đốt 

Bộ điều  khiển 2 

Bộ điều  khiển 1 

Lưu lượng không khí  

từ phụ tải nhiệt   

  Hệ thống là hệ tầng gồm hai  vòng điều chỉnh, vòng trong nhận  tín hiệu lưu lượng nhiên liệu và không khí để đảm bảo tỷ lệ nhiên liệu/không khí cơ bản trong khi vòng điều khiển bên ngoài sẽ nhận thông tin đo lường từ hàm lượng %O2 trong khói thải và hiệu chỉnh theo hàm lượng tối ưu đã được xác định cho mỗi mức tải. 

1.3.1.4 Điều khiển mức nước bao hơi

Đối với lò hơi thông số dưới tới hạn thường sẽ được thiết kế có bao hơi. Bao hơi làm nhiệm vụ phân ly giữa pha nước và pha hơi. Việc điều khiển cân bằng giữa lưu lượng nước cấp và hơi được sinh ra sẽ được  thực hiện bằng cách duy trì mức nước bao hơi trong giới hạn cho phép. Nước cấp được bơm từ các bơm cấp qua các van điều chỉnh, qua bộ gia nhiệt cao áp, tới bộ hâm nước sau đó vào bao hơi.  

Hệ  thống  điều khiển nước  cấp  thường  sẽ được  thực hiện  theo  sơ  đồ  một tín hiệu  (trong  chế độ  khởi động)  và  sơ  đồ ba  tín hiệu  (trong  chế  độ  vận hành  thông thường). Trong chế độ một phần tử, tín hiệu được sử dụng sẽ là mức nước bao hơi. Trong chế độ ba phần tử các tín hiệu được sử dụng là mức nước bao hơi, lưu lượng nước cấp và lưu lượng hơi quá nhiệt. 

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mức nước bao hơi trong chế độ làm việc thông thường (ba phần tử) được thể hiện như trên hình 1.13. 

1.3.1.5 Điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt

Nhiệt độ hơi quá nhiệt của  lò hơi NMNĐ là  một trong những thông số quan trọng nhất của lò hơi. Nếu nhiệt độ hơi quá nhiệt quá cao sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ hoặc gây phá hủy của các dàn ống quá nhiệt của lò hơi cũng như tầng cánh của  tuabin.  Ngược  lại, nhiệt  độ hơi  quá nhiệt  thấp  sẽ  làm  giảm hiệu  suất  của  nhà 

Hình 1.13 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mức nước bao hơi [4]

Van đk  nước cấp 

Wnc  + 

Bao  hơi 

BĐK lưu  lượng 

BĐK mức  nước 

Lưu lượng hơi chính  

máy,  làm  tăng  độ  ẩm  trong  hơi  ở  phần  áp  suất  thấp  của  tuabin  làm  tổn  hại  tầng cánh. Ngoài ra, sự dao động mạnh của nhiệt độ hơi quá nhiệt cũng sẽ làm tăng ứng suất nhiệt  cho  vật  liệu  ống  và gây  nên  sự  rung động  lớn  cho  tuabin. Vì  vậy, việc điều  khiển  nhiệt  độ  ổn  định  trong  giải  cho  phép  là  yêu  cầu  hết  sức  quan  trọng. Thông thường vận hành yêu cầu điều khiển nhiệt độ sai lệch không quá 50C (hoặc 1%) so với giá trị đặt.     

Nhiệt độ hơi quá nhiệt của lò hơi chịu tác động chủ yếu của các yếu tố: Thay đổi lưu lượng hơi đi qua bộ quá nhiệt, thay đổi nhiệt lượng trao đổi từ khói thải với 

bộ quá nhiệt và thay nhiệt hàm của hơi tại đầu vào bộ quá nhiệt do thay đổi độ ẩm hoặc nhiệt độ.  Do lưu lượng hơi phụ thuộc vào phụ tải nên các phương pháp điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt được sử dụng là điều khiển lưu lượng khói đi qua bộ quá nhiệt hoặc điều chỉnh lưu lượng nước phun giảm ôn vào dòng hơi.    

Phương pháp điều khiển phổ biến là dùng nước phun giảm ôn, nước được trích 

từ  đầu  đẩy  bơm  cấp  sẽ  được  trích  để  phun  trực  tiếp  vào  dòng  hơi.  Nếu  lò hơi  có nhiều bộ phun giảm ôn thì mỗi bộ phun này sẽ có bộ điều khiển khác nhau. Nguyên 

lý điều khiển sẽ là đảm bảo nhiệt độ hơi đầu vào và ra  của bộ phun giảm ôn nằm trong giới hạn yêu cầu bằng cách điều chỉnh lưu lượng nước phun giảm ôn vào bộ quá nhiệt. Sơ đồ nguyên lý hệ thống được thể hiện trên hình 1.14. 

 

Hơi (steam) từ đầu ra của bộ quá nhiệt cấp 1 (superheater I) được dẫn tới bộ quá nhiệt cấp 2 (superheater II), giá trị nhiệt độ hơi đầu ra bộ quá nhiệt cấp hơi sẽ là nhiệt độ hơi quá nhiệt đầu ra của lò hơi. Việc phun nước giảm ôn điều chỉnh nhiệt 

độ hơi quá nhiệt được thực hiện trước bộ quá nhiệt cấp 2 nhằm đảm bảo nhiệt độ hơi đầu  ra  của bộ quá  nhiệt  cấp hai  dao động  trong dải  yêu  cầu.  Lưu  lượng nước phun giảm ôn sẽ được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh góc mở của van phun giảm 

ôn (attemperator valve) trên đường nước phun.    

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt [82]

1.3.2 Cấu hình đặc trưng hệ điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ

1.3.2.1 Cấu trúc tầng hai vòng

Từ phân tích nêu trên cho thấy cấu trúc đặc trưng của các hệ thống mạch vòng điều  chỉnh quá  trình nhiệt  của  NMNĐ  là  cấu  trúc  hệ  tầng hai  vòng  (cascade) như trên hình 1.16. Trong đó: 

     

 Ttg  + 

Bộ quá  nhiệt c2 

Bộ điều  khiển 2 

Bộ điều  khiển 1 

Hình 1.16 Cấu trúc điển hình điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ

z1     

y1  

R2 

R1 

    u2 

ɛ1 

Hệ  điều  khiển  tầng  (cascade)  hai  vòng  đặc  biệt  phù  hợp  với  đặc  trưng  quá trình của NMNĐ. Ưu điểm của cấu trúc này là [1, 25, 89, 90, 91]: 

       Điều  khiển  tốt  thông  số  quá  trình  y1:  Vòng  điều  khiển  thứ  cấp  sẽ  tính toán chính xác và nhanh chóng tín hiệu điều khiển y2, từ đó sẽ điều khiển thông số quá trình y1 chính xác hơn.    

       Tăng cường đáng kể khả năng kháng nhiễu của hệ thống, giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu đến thông số quá trình y1: Khi có nhiễu phát sinh, vòng điều khiển thứ cấp ở gần nguồn nhiễu hơn, với cơ cấu chấp hành là van, cửa  chắn  (điện hoặc  khí nén) có  tốc độ  đáp ứng nhanh  sẽ nhanh  chóng triệt tiêu nhiễu trước khi chúng tác động lên thông số quá trình chính y1. 

       Sự  tác động  nhanh của  vòng điều khiển  thứ  cấp  làm  giảm  đáng  kể  ảnh hưởng  của  yếu  tố  trễ  và  quán  tính  lớn  vốn  là  đặc  trưng  của  quá  trình nhiệt điện. Điều này sẽ cải thiện đáng kể tốc độ đáp ứng của vòng sơ cấp. 

       Đặc điểm phi tuyến của cơ cấu chấp hành O s2  (ví dụ được gây ra bởi 

ma sát tĩnh) sẽ được khắc phục trực tiếp ở vòng điều khiển thứ cấp. Giảm thiểu tối đa sự ảnh hưởng của yếu tố này đến vòng điều khiển sơ cấp. 

1.3.2.2 Bộ điều khiển PID

Đối với cấu hình điều khiển SISO cho NMNĐ, tất cả các bộ điều khiển đều có dạng  PID  (Proportional-Integral-Derivative)  hoặc  dẫn  xuất  (P, PI,  PD).  Đây  là  bộ điều khiển kinh điển, phổ biến nhất trong công nghiệp. 

1.4 Chỉnh định hệ thống điều khiển trong NMNĐ

      Chuyển bộ điều khiển R2 sang chế độ tự động. Mạch vòng thứ cấp lúc này 

sẽ là một thành phần trong hệ điều khiển tầng. 

      Chỉnh định mạch vòng sơ cấp, xác định bộ điều khiển sơ cấp R1. 

Quá trình chỉnh định các bộ điều khiển gắn liền với việc xác định đặc tính đối tượng thứ cấp O s2  và sơ cấp O s1 . Hai phương pháp chỉnh định cơ bản, truyền 

thống được sử dụng cho hệ tầng công nghiệp cũng như trong NMNĐ là: 

       Zigler-Nichols [1, 5, 14, 25, 85]: Gồm Zigler-Nichols 1 sử dụng để chỉnh định bộ điều khiển cho hệ thống hở bằng cách xấp xỉ đối tượng theo mô hình  quán  tính  bậc  nhất  có  trễ  và  Zigler-Nichols  2  sử  dụng  chỉnh  định mạch vòng kín bằng cách đo đáp ứng đầu ra của hệ thống. 

       Mô  hình  nội  (IMC-Internal  Model  Control)  [1,  5,  25,  28,  77]:  Sử dụng 

mô hình mẫu cho quá trình để chỉnh định bộ điều khiển. Đối với một số dạng  mô  hình  quá  trình  thông  dụng  sẽ đưa được  bộ  điều  khiển  đưa  về dạng PID. Áp dụng cho cả hệ hở và hệ kín.  

1.4.2 Phương pháp ứng dụng thực tế trong NMNĐ

Các NMNĐ hiện đại đều được trang bị hệ thống điều khiển DCS của các nhà cung  cấp  rất  quen  thuộc  như:  Yokogawa,  ABB,  Emerson,  Honeywell, Westinghouse, Invensys. Các tham số bộ điều khiển được chuyên gia của nhà cung cấp  chỉnh định  trong quá  trình  vận hành  thử nghiệm  (commissioning). Việc  chỉnh định  bộ  điều  khiển  thường  sử  dụng  theo  phương  pháp  cơ  bản  hoặc  kinh  nghiệm chuyên gia (sử dụng trong thực tế).  

1.4.2.1 Chỉnh định theo phương pháp cơ bản

Phương pháp khá phổ biến được nêu trong các tài liệu hướng dẫn, đào tạo của các  nhà  cung  cấp hệ  thống DCS  cho  NMNĐ  [21,  46,  84]  cơ bản  là  phương  pháp chỉnh định thực nghiệm Zigler-Nichols, dùng cho vòng hở và vòng kín.   

Chỉnh định vòng hở (open-loop tuning) [46, 84]

Ban đầu hệ thống chưa có bộ điều khiển (hoặc đã có nhưng được tách ra), kích thích đối tượng bằng xung bậc thang được đáp ứng như hình 1.17. Mức thay đổi của tín hiệu điều khiển MV qua bộ điều khiển PID khi có xung đầu vào PV là: 

      

 Chọn theo tham số theo Zigler-Nichol 2:

  Trong  vòng điều  khiển  kín,  thay  bộ điều  khiển bằng  hệ  số  khuếch đại, xác định biên giới ổn định khi có được dao động điều hòa ở đầu ra.  Hệ số khuếch đại thu được là Pp (hình 1.18).     

  

Hình 1.17 Phương pháp chỉnh định trong mạch vòng hở [84]

Hình 1.18 Phương pháp Zigler-Nichols 2 [84]

  

Khi đó các tham số bộ điều khiển được chọn: Kp = P; Ti = P/1,5; Td = P/6. Giữa hai phương pháp chỉnh định, phương pháp dựa theo suy giảm dao động thường được  sử  dụng nhiều hơn vì phương pháp Zigler-Nichols 2 có nguy cơ gây nguy hiểm trong một số trường hợp. 

1.4.2.2 Chỉnh định thực tế

Trong thực tế việc chỉnh định tham số bộ điều khiển được thực hiện theo kinh nghiệm chuyên gia, các bước thực hiện cơ bản cũng là phương pháp thực nghiệm nêu trên nhưng chủ yếu dựa trên kinh nghiệm của người chỉnh định.  

 Ban đầu, tham số bộ điều khiển được đặt tham chiếu theo tham số của bộ điều khiển tương ứng của một nhà máy có công suất tương tự đã được chỉnh định trước đó.  

 Đưa  hệ  thống  vào  chế  độ  làm  việc  tự  động,  tăng  tải  hệ  thống  để  hiệu  chỉnh tham số bộ điều khiển. Tại một điểm làm việc ổn định nào đó (thường khi tăng tải đến gần định mức), kích thích hệ thống bằng xung bậc thang, quan sát đáp ứng của hệ thống.  

 Ở một dạng đáp ứng đầu ra nào đó phù hợp, tính toán tham số bộ điều khiển theo kinh nghiệm, đảm bảo cân bằng giữa chất lượng điều chỉnh và độ ổn định 

hệ thống. 

Hình 1.19 Phương pháp suy giảm giao động [84]

 Sau khi các bộ điều chỉnh được cài đặt, có thể tiếp tục quan sát quá trình làm việc  của  hệ  thống  ở  một  số  mức  tải  và  tiếp  tục  tinh  chỉnh  tham  số  bộ  điều khiển để chất lượng làm việc của hệ thống là tốt nhất có thể. 

Phương pháp theo kinh nghiệm chuyên gia này cũng rất cần nếu nhà máy đã được chỉnh định theo phương pháp cơ bản nêu trên, gọi là bước “tinh chỉnh”. Tuy nhiên, thực tế bước này lại thường bị bỏ qua để tiết kiệm chi phí.  

Phương  pháp  kinh  nghiệm  vẫn  hết  sức  phổ  biến  trong  chỉnh  định  bộ  điều 

khiển NMNĐ (“The most common method of tuning boiler/turbine control systems today is the empirical method, also called the trial and error method” [76]). Việc 

chỉnh định tham số bộ điều khiển được thực hiện chủ yếu tại mức tải định mức của 

hệ thống, việc kiểm tra và tinh chỉnh tại nhiều mức tải khác nhau là rất ít vì rất tốn kém thời gian và chi phí.  

1.4.3 Hạn chế của phương pháp chỉnh định truyền thống

 Độ chính xác bị hạn chế do việc kẻ vẽ tiếp tuyến, đo lường khoảng dao động hay xấp xỉ mô hình bằng cách khá thủ công. 

 Các mạch vòng điều chỉnh có tính đến yếu tố nhiễu tác động, tuy nhiên chỉ có các thông số cơ bản mới có thể được đo lường và đưa vào hệ thống điều chỉnh (chẳng hạn lưu lượng hơi trong điều khiển mức bao hơi), rất nhiều yếu tố khác 

đã bị bỏ qua hoặc không thể lượng hóa được do chúng là ngẫu nhiên, bất định. 

 Việc chỉnh định bộ điều khiển được thực hiện tại một mức tải vận hành cụ thể nào đó,  các  tham số bộ điều  khiển được  tính  toán  và  cài  đặt  cố định  cho hệ thống.  Khi  tổ  máy  phải  làm  việc  trong dải tải  rộng,  tăng/giảm  công  suất  lớn làm cho tính chất phi tuyến của quá trình/đối tượng thể hiện rõ, đặc tính của hệ thống  khác  xa  so  với  điều  kiện  chỉnh  định  ban  đầu  thì  tính  đáp  ứng  của  hệ thống bị suy giảm rõ rệt, ảnh hưởng nhiều đến khả năng vận hành ổn định và hiệu suất của nhà máy. 

 Tham  số bộ điều  khiển không được  cập nhật,  cài đặt  lại  trong  vòng đời  làm việc  của  NMNĐ  ảnh hưởng  rất  nhiều  đến  chất  lượng  làm  việc  của  hệ  thống khi mà đặc tính của quá trình/thiết bị nhiệt đã thay đổi rất nhiều theo thời gian 

so với thời điểm chỉnh định là lúc xây dựng nhà máy. 

Các hạn chế này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng vận hành của NMNĐ, đặc biệt trong điều kiện phụ tải biến đổi mạnh khi tính chất bất định và phi tuyến của quá  trình  nhiệt  được  bộc  lộ  rõ  nét.  Dưới  đây  sẽ  khảo  sát  thực  trạng  tại  một  số NMNĐ niềm Bắc Việt Nam để chỉ rõ.  

1.4.4 Chỉnh định và vận hành ở các NMNĐ Việt Nam

1.4.4.1 Công tác chỉnh định và thử nghiệm

 Công  việc  được  thực  hiện  trong  giai  đoạn  vận  hành  thử  nghiệm,  sau  khi  đã hoàn thành phần lắp đặt. Phương pháp thực hiện theo kinh nghiệm chuyên gia như đã nêu trên. 

 Tham số bộ điều khiển của tổ máy công suất tương tự được sử dụng để cài đặt cho  tổ  máy  mới  mà  thậm  chí  không  được  tinh  chỉnh  lại.  Ví  dụ  tại nhà  máy nhiệt điện Quảng Ninh, nhà thầu lấy nguyên tham số bộ điều khiển các tổ máy nhiệt điện Quảng Ninh 1 cài đặt cho nhiệt điện Quảng Ninh 2, không thực hiện chỉnh định lại.  Trong khi đó nhiệt điện Quảng Ninh 1 cũng chưa được chỉnh định tốt, khả năng vận hành tự động kém. 

 Việc  chỉnh định được thực hiện ở một mức tải nào đó (gần giá trị định mức) 

và rất ít được thử nghiệm ở nhiều mức tải khác nhau để tinh chỉnh. Nhà thầu mong  muốn  rút  ngắn  thời  gian  thử  nghiệm,  hiệu  chỉnh  để  tiết  giảm  chi  phí nhiên liệu, chuyên gia và thúc đẩy nhanh quá trình bàn giao. 

 Các NMNĐ đều được thiết kế làm việc ở phụ tải đáy, chế độ làm việc thông thường  là  ở  công  suất định mức do đó nhà  thầu  cũng  chỉ quan  tâm đến  việc chỉnh định tham số bộ điều khiển ở mức tải này.  

 Nhiều  thí  nghiệm  theo  yêu  cầu  trước  khi  bàn  giao  nhà  máy  được  thực  hiện nhiều  lần mới đạt  như  cắt dầu  lò hơi,  giảm  tải  sự  cố  “run-back” hoặc  không thể  thực  hiện  được  như  chế  độ  tải  tự  dùng  “house-load”  (NMNĐ  Mông  Dương 1 thực hiện được trong 7 phút ở một lần thí nghiệm, các NMNĐ khác rất khó thực được thí nghiệm này).  

 Nhiều thí nghiệm trong danh sách kiểm tra bàn giao (acceptance test) [32, 33, 

34, 45, 57, 71] thực hiện được  khi thử  nghiệm nhưng sau khi được bàn giao vận hành thì tổ máy không thể đáp ứng được nữa.     

1.4.4.2 Thực tế vận hành

 Nhiều hệ thống vận hành ở chế độ bằng tay (manual)

 Ở  chế  độ  khởi  động, hệ  thống  được  chuyển  sang  chế  độ  vận  hành bằng  tay (manual), khi tải đạt tới các mức nhất định trong quá trình tăng (thường là gần định mức) thì các hệ thống mới dần được đưa vào chế độ tự động (auto). 

 Trong điều kiện vận hành bình thường khi tải ở định mức, nhiều hệ thống vẫn được duy  trì  ở  chế  độ  vận  hành bằng  tay  do  chế  độ tự  động  không  đáp  ứng được  yêu  cầu  điều  khiển.  Điều  khiển phối  hợp  lò hơi/tuabin  (CCS)  chủ  yếu làm  việc  ở  chế  độ  bán  tự động  “lò  theo  máy”  (Boiler  following)  hoặc  “máy theo lò” (Turbine following). 

 Yêu cầu vận hành hệ thống ở chế độ tự  động (auto) cũng không được đặt ra một cách bức thiết vì vẫn có công nhân vận hành bằng tay tại màn hình MMI. 

Ưu tiên số một của nhà máy là tổ máy phát được công suất.      

 Khi có yêu cầu giảm tải (từ Trung tâm điều độ hoặc lỗi thiết bị) các hệ thống được chuyển về chế độ vận hành bằng tay (đặc biệt là hệ thống cấp nhiên liệu