Mô Hình hóa Lò điện cảm ứng. Mô phỏng trên visual basic 6

Đồ án môn học: Trang bị điện CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG 1.1. KHÁI NIỆM VỀ LÒ PHẢN ỨNG 1.1.1 Lịch sử lò phản ứng Các khái niệm về một phản ứng dây chuyền hạt nhân lần đầu tiên được nhận ra ở Hungary bởi nhà khoa học Leó Szilárd n năm 1933. Ông đã nộp một bằng sáng chế cho ý tưởng của ông về một lò phản ứng hạt nhân đơn giản vào năm sau. Các lò phản ứng hạt nhân nhân tạo đầu tiên, Chicago Pile-1 , được xây dựng tại Đại học Chicago bởi một nhóm do Enrico Fermi vào năm 1942. Nó đạt được criticality ngày 02 tháng 12 năm 1942 lúc 03:25. Cơ cấu lò phản ứng hỗ trợ đã được làm bằng gỗ, trong đó hỗ trợ một đống các khối than chì, nhúng vào trong đó được tự nhiên Uranium-oxide 'pseudospheres'. Nguồn sáng tạo cho một lò phản ứng như vậy được cung cấp bởi nhà phát hiện bởi Lise Meitner , Fritz Strassman và Otto Hahn trong năm 1938 bằng cách bắn phá uranium bằng các nơtron (được cung cấp bởi một Alpha-on phản ứng nhiệt hạch Berili-, một " neutron howitzer ") sản xuất một Bari dư lượng, mà họ lý luận đã được tạo ra bởi các fissioning của hạt nhân Uranium. các nghiên cứu tiếp theo cho thấy một số nơtron cũng đã được phát hành trong fissioning, làm cho có sẵn cơ hội cho một phản ứng dây chuyền . 1.2 MÔ TẢ CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG 1.2.1.Lò phản ứng hat nhân trong thực tế Ngày nay, công nghệ lò phản ứng hạt nhân phát triển rất phong phú và đa dạng. Hiện có trên 10 loại lò đang được sử dụng, nghiên cứu phát triển Lò nước nhẹ: (bao gồm cả lò nước sôi - BWR và lò nước áp lực - PWR): Đóng vai trò chủ đạo, chiếm tỷ trọng lớn tại nhiều nước có ĐHN. Đây là công nghệ không những đã được phát triển, hoàn thiện và thương mại hóa rộng rãi trên thế giới mà còn là công nghệ tiềm năng cho những cải tiến mạnh mẽ trong tương Trang 3 Đồ án môn học: Trang bị điện lai gần. Các lò nước nhẹ công suất lớn đang được nâng cấp thành các lò cải tiến với công suất lớn hơn. Lò nước nặng: Bắt đầu phát triển từ Canada, cho đến nay công nghệ lò này cũng được áp dụng tại nhiều nước, đặc biệt một số nước bắt đầu phát triển công nghệ hạt nhân từ kiểu nước nặng như Trung Quốc, Ấn Độ chú trọng phát triển lò nước nặng và đã tự chủ trong công nghệ này. Gần đây nhất, Rumani đã nhập công nghệ này và xây dựng hai tổ máy. Lò nước nặng có chu trình nhiên liệu linh hoạt, có thể sử dụng urani tự nhiên, urani có độ giàu thấp hoàn nguyên từ tái chế nhiên liệu đã cháy của PWR, nhiên liệu oxide hỗn hợp, thorium. Lò khí nhiệt độ cao: Được phát triển ở Mỹ, Anh và Tây Đức, lò này sử dụng Graphit làm chậm nơtron, heli làm chất tải nhiệt và nhiên liệu là viên urani- thorium có độ giàu cao được bao bọc bởi graphit. Tuy nhiên, công nghệ lò khí hiện nay dường như chững lại. Các hướng nghiên cứu phát triển tập trung vào lò khí nhiệt độ cao, lò tầng cuội kiểu nhiên liệu viên tròn với vỏ bọc Graphite. Một khả năng lớn cho việc ứng dụng lò khí là dùng để sản xuất Hydro cho pin nhiên liệu. Hình1.1 Lò phản ứng hạt nhân trong thực tế Trang 4 Đồ án môn học: Trang bị điện Lò nơron nhanh: Sử dụng urani hoặc plutoni có độ giàu cao làm nhiên liệu, vùng hoạt được bao bọc xung quanh bởi urani tự nhiên và kim loại lỏng được dùng làm chất tải nhiệt. Tổ máy dùng lò nơtron nhanh có 3 vòng tuần hoàn, vòng 1 qua vùng hoạt, vòng 2 qua trung gian và vòng 3 là vòng của chất sinh công, qua tuốc bin. Hệ lò dùng máy gia tốc: Một phát triển gần đây là kết hợp công nghệ lò phân hạch và máy gia tốc để phát điện và chuyển hóa các đồng vị sống lâu trong chất thải phóng xạ. Chùm proton năng lượng cao đập vào bia kim loại nặng làm sản sinh nơtron. 1.2.1 Lò phản ứng hạt nhân trong phòng thí nghiệm a.Lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri (sodium-cooled fast reactor – SFR Hình 1.2 Lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri Mục tiêu ban đầu của chương trình lò SFR (xem hình 1.2) là quản lý các actinide, cắt giảm các sản phẩm thải, và tiêu thụ uran một cách hiệu quả hơn. Tuy nhiên theo dự kiến, các thiết kế lò trong tương lai không chỉ sản xuất ra điện năng mà còn cung cấp nhiệt, sản xuất hyđro, và có thể còn để khử mặn nữa. Phổ nơtron nhanh của lò SFR có thể cho phép sử dụng các vật liệu phân hạch hữu ích, kể cả uran yếu, một cách hiệu quả hơn nhiều so với các lò LWR hiện nay. Ngoài ra, hệ Trang 5 Đồ án môn học: Trang bị điện thống SFR có thể không cần phải nghiên cứu thiết kế nhiều như các hệ thống thế hệ IV khác. b. Lò phản ứng muối nóng chảy (molten salt reactor – MSR) Lò MSR (xem hình 1.3) là lò nhiên liệu lỏng có thể sử dụng để đốt các actinide, sản xuất điện năng, hyđro, và nhiên liệu phân hạch. Trong hệ thống này, nhiên liệu muối nóng chảy chảy qua các kênh lõi graphít. Nhiệt tạo ra trong muối nóng chảy được truyền sang hệ thống chất làm mát thứ cấp thông qua bộ trao đổi nhiệt trung gian, sau đó qua một bộ trao nhiệt nữa tới hệ thống biến đổi năng lượng. Các actinide và phần lớn các sản phẩm phân hạch tạo nên các florua trong chất lỏng làm mát. Nhiên liệu lỏng đồng nhất cho phép bổ sung actinide mà không yêu cầu phải chế tạo nhiên liệu. Hình 1.3. Lò phản ứng muối nóng chảy Trong những năm 1960, Mỹ đã phát triển lò phản ứng tái sinh muối nóng chảy như là phương án chính hỗ trợ cho lòphản ứng tái sinh truyền thống. Công tác nghiên cứu gần đây tập trung vào các chất làm mát florua lithi và berylli vớithori hoà tan và nhiên liệu U 233. Bộ Năng lượng Mỹ có kế hoạch tiếp tục hợp tác trong tương lai với các chương trình lò phản ứng muối nóng chảy của Euratom Trang 6 Đồ án môn học: Trang bị điện c. Lò phản ứng làm mát bằng nước siêu tới hạn (supercritical water-cooled reactor - SCWR) Hình 1.4. Lò phản ứng làm mát bằng nước siêu tới hạn Lò SCWR (xem hình 1.4) hứa hẹn nhiều ưu thế đáng kể về mặt kinh tế, với hai lý do: có thể đơn giản hoá thiết kế nhà máy và hiệu suất nhiệt tăng cao. Nhiệm vụ chính của SCWR là phát điện với chi phí thấp nhờ kết hợp hai công nghệ đã qua thử thách: công nghệ LWR truyền thống và công nghệ lò hơi siêu tới hạn đốt nhiên liệu hoá thạch. Căn cứ các nghiên cứu thiết kế có thể tiên đoán hiệu suất nhiệt của nhà máy sẽ cao hơn các lò LWR hiện nay khoảng một phần ba. Từ hình vẽ có thể thấy các hệ thống còn lại của nhà máy và các đặc điểm an toàn thụ động của lò SCWR cũng tương tự như đối với lò BWR, nhưng lại đơn giản hơn nhiều do chất làm mát không thay đổi về pha trong lò phản ứng. Nước siêu tới hạn làm quay trực tiếp tuabin, không cần đến hệ thống hơi trung gian. Trên thế giới, dẫn đầu là Nhật Bản, người ta đang tìm cách giải quyết các vấn đề cấp bách nhất về vật liệu và tính bất định trong thiết kế hệ thống nhằm chứng minh tính khả thi về kỹ thuật của lò SCWR. Trang 7 Đồ án môn học: Trang bị điện CHƯƠNG 2. THÀNH LẬP MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN FEED FORWARD CHO LÒ PHẢN ỨNG 2.1. MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CỦA MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH FEED FORWARD . Trong mô hình cấu trúc điều khiển nối tầng cho phép loại bỏ nhiễu tác động lên quá trình. Tuy nhiên để loại bỏ được nhiễu với điều kiện biến phụ là nhiễu tác động trực tiếp lên biến điều khiển chính. Mạch vòng kín của hệ thống điều khiển theo cấu trúc nối tầng vì vậy ma được thiết kế thống nhất với hai mạch vòng điều khiển để thực hiện cùng một mục tiêu. Tuy vậy còn tồn tại các nhiễu khác xuất hiện trong giai đoạn cuối của quá trình thì việc điều khiển nối tần dạng vòng lặp đơn không ,loại bỏ được. Mặt khác trong điều khiển quá trình việc xác định các biến phụ không phải lúc nào cũng thực hiện được, khii đó giải pháp nối tầng sẽ gặp khó khăn. Vì vậy mô hình điều khiển feed forward cho phép khắc phục được các nhược điểm của điều khiển mô hình cấu trúc nối tầng. Đồng thờì mô hình điều khiển Feed forward có thể loạ bỏ được nhiễu ngẫu nhiên, nhiễu có chu kỳ khác. 2.2. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN FEED FORWARD . Set ponit Feeback Controler + + + + + + Final Control Element Secondary Process Primary Process Disturbance Process II measured process variable Disturbance variable II Disturbance variable I Disturbance Process I feed foward can improve rejection of either disturbance Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống điều khiển Feedforward. Trang 8 Đồ án môn học: Trang bị điện Một cách khác để loại trừ tác động của nhiễu là dùng cấu trúc điều khiển Feed Forward. Cấu trúc điều khiển Feed Forward có thể được dùng để loại bỏ được cả nhiễu không đo được. Sơ đồ cấu trúc điều khiển FeedForward tổng quát được biểu diễn trên hình 2.1. Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển Feedforward sử dụng Sensor quan sát nhiễu và bố trí bộ điều khiển Feedforward Dùng cấu trúc Feedforward ta có thể loại trừ ảnh hưởng của cả hai tín hiệu nhiễu ở trên. Khi dùng hệ phản hồi truyền thống, đáp ứng điều khiển chỉ được đưa ra sau khi có tín hiệu phản hồi từ quá trình thực tế. Nên phản ứng xảy ra thường là chậm và có thể ảnh hưởng xấu tới tính ổn định của hệ thống. Bộ điều khiển Feedforward sử dụng sensor để đo trực tiếp tín hiệu nhiễu trước khi nó ảnh hưởng đến quá trình. Như trong sơ đồ hình 2.2, phần tử Feedforward nhận giá trị đo được của tín hiệu nhiễu và sử dụng nó để tính toán, sắp xếp các hành động điều khiển ưu tiên để giảm thiểu tác động của nhiễu khi nó tác động lên quá trình. Phần tử Feedforward gồm có mô hình nhiễu ( Disturbance model) và mô hình quá trình ( ProcessModel). Cả hai mô hình đề là tuyến tính. Sự tính toán được thực hiện bởi phần tử Feedforward được thực hiên theo hai bước sau: Trang 9 Đồ án môn học: Trang bị điện - Mô hình nhiễu nhận giá trị đo của nhiễu D(t) và tiên đoán ảnh hưởng khi nào và mức độ mà biến quá trình y(t) sẽ bị ảnh hưởng. - Đưa ra thứ tự tiên đoán ảnh hưởng đến biến quá trình y(t), mô hình quá trình (Process Model) sau đó sẽ tính lại một chuỗi các hành động điều khiển U feedforward (t) để làm mất tác dụng của nhiễu khi nó đến. Sự thực hiện này đòi hỏi các mô hình tuyến tính được lập trình trong máy tính điều khiển. Nhưng mô hình tuyến tính không thể thiết kế chính xác hành vi của quá trình thực. Nên cấu trúc này sẽ không bao giờ loại trừ được hoàn toàn ảnh hưởng của nhiễu. Như trên hình 2.2, ta thấy hành động điều khiển Feedforward được tính toán U feedforward (t) được đảo dấu. Nó sẽ được cộng với tín hiệu ra từ bộ điều khiển phản hồi truyền thống U feedback (t) để tạo ra tín hiệu điều khiển tổng : U total (t) = U feedback (t)- U feedforward (t) (2.1) 2.3. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN FEED FORWARD. Tiêu chuẩn thiết kế điều khiển quá trình với kỹ thuật điều khiển Feedforward: Mô hình điều khiển Feedforward bao gồm một cảm biến đo trực tiếp biến nhiễu và mô hình tính toán Feedforward được xây dựng từ mô hình động học quá trình và nhiễu. Hai tiêu chuẩn thiết kế đảm bảo cho sự thành công là: - Mô hình động học quá trình và nhiễu thể hiện ở đầu ra của bộ điều khiển để điều khiển biến quá trình được đo và nhiễu ảnh hưởng đến hoạt động của biến quá trình đo được. - Thời gian chết của quá trình phải nhỏ hơn thời gian chết của nhiễu. Tiêu chuẩn 1 cho thấy: Nếu mô hình không mô tả chính xác sự hoạt động của thiết bị kỹ thuật thì việc lập trình Feedforward khó tin cậy. Tiêu chuẩn thứ 2 thực hiện khó khăn hơn. Giả sử thiết bị kỹ thuật có thời gian chết do nhiễu ngắn hơn thời gian chết của quá trình, hay tồn tại nhiễu mà bộ điều Trang 10 Đồ án môn học: Trang bị điện khiển Feedforward phản hồi liên tục với hoạt động điều khiển. Do có sự khác biệt về thời gian chết, nhiễu sẽ ảnh hưởng đến quá trình được đo trước khi bộ điều khiển kiểm soát, mặc dù cả hai cùng xẩy ra như trong ví dụ minh hoạ. Nhiễu sẽ làm gián đoạn quá trình trước khi hoạt động điều khiển loại bỏ nhiễu đầu tiên diễn ra. Tại giới hạn, hoạt động điều khiển cần diễn ra cùng thời điểm với nhiễu. Nếu những điều kiện mà hoạt động điều khiển có thể diễn ra trước (Nếu thời gian chết quá trình là ngắn hơn) thì bộ điêù khiển Feedforward sẽ có hiệu quả loại bỏ nhiễu tốt nhất. 2.4. LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN FEED FORWARD. 2.4.1. Thiết lập mô hình quá trình và mô hình nhiễu Phép biến đổi Laplace được sử dụng trong quá trình thiết lập mô hình toán học cấu thành Feedforward. Vì vậy phương pháp thành lập thuật toán cơ bản cho mô hình Feedforward là hết sức cần thiết trong quá trình nghiên cứu. Phương pháp thiết lập mô hình quá trình đã được trình bày trong phần trước. Có thể tóm tắ như sau: Dữ liệu quá trình được lưu giữ và đánh giá sự tăng, giảm của nó hoặc nếu không có sự nhảy bậc (perturbing) tín hiệu ra của bộ điều khiển U(t) và ghi lại biến số đo được y(t) khi đáp ứng quá trình được phản hồi. Trạng thái ban đầu của chu trình được coi là ổn định và trạng thái được xác định tại thời điểm đo. Mô hình quá trình sử dụng các phương trình động học tuyến tính từ khâu bậc nhất (Firt order) có thời gian chết (FO), cho đến khâu bậc hai (Second order) với thời gian chết và thời gian giữa các giai đoạn đo được. Nếu ta gọi mô hình quá trình G P (s), thì trong không gian Laplace có thể viết: Y(s)=G P (s).U(s) (2.2) Đó là biểu thức tính đầu ra của bộ điều khiển, phương trình (2.2) có thể tính toán biến số quá trình đo được. Từ phương trình này dự đoán sự thay đổi của biến Trang 11 Đồ án môn học: Trang bị điện số quá trình, được so sánh với tín hiệu đo được và tín hiệu ra của bộ điều khiển sẽ được tính toán lại nếu còn có sự sai khác: U(s)=[1/G P (s).Y(s) (2.3) Mô hình nhiễu cũng sẽ được thành lập tương tự như mô hình quá trình, biến nhiễu là d(t), trong không gian Laplace có thể viết: Y(s)=G D (s).D(s) (2.4) Phương trình (2.4) được xác định với các biến nhiễu đo được tác động lên quá trình. 2.4.2. Thành lập các thành phần cấu thành Feedforward Đáp ứng của nhiễu tác động lên đáp ứng quá trình được đo trong mạch vòng phản hồi truyền thống. Đáp ứng của nhiễu đo được tính toán theo mô hình: Y disturb (s)=G D (s)D(s) (2.5) Tín hiệu điều đầu ra của bộ điều khiển theo mô hình nhiễu viết được: U feedforwad (s)=[1/G P (s)]Y disturb (s) (2.6) Thay phương trình (2.5) vào phương trình (2.6) ta được: U feedforwad =[G D (s)/G P (s)].D(s) (2.7) Cuối cùng ta tính được tính hiệu điều khiển quá trình loại bỏ được nhiễu dựa trên mạch vòng kín phản hồi truyền thống: U total =U feedback - U feedforwad (2.8) 2.5. KHẢ NĂNG ĐIỀU KHIỂN THEO MÔ HÌNH FEED FORWARD. 2.5.1. Mô hình bậc cao nhất Mô hình qúa trình tuyến tính bậc nhất hay mô hình quá trình bậc hai SOPDT w/L (First oder plus dead time with integrator dynamic model) đã được đề cập đến trong những nghiên cứu ở trên và chúng là mô hình lựa chọn cho bộ điều khiển. Lí thuyết Feed Forward cũng cho phép sử dụng mô hình tuyến tính bậc 3, bậc 4 và bậc cao hơn cho các thành phần Feed Forward khi thiết lập các bộ điều khiển ở những nhà máy, những dữ liệu có được sẽ điều khiển giá trị chính xác cho 3 tham số của mô hình FOPDT là một nhiệm vụ quan trọng, với kết quả Trang 12 . Đồ án môn học: Trang bị điện CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG 1.1. KHÁI NIỆM VỀ LÒ PHẢN ỨNG 1.1.1 Lịch sử lò phản ứng Các khái niệm. hội cho một phản ứng dây chuyền . 1.2 MÔ TẢ CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG 1.2.1 .Lò phản ứng hat nhân trong thực tế Ngày nay, công nghệ lò phản ứng hạt nhân phát