khi đƣa vào tuabin. Bộ điều khiển đƣợc tách riêng thành 3 khối chức năng logic và có thể chỉnh định từng khối riêng rẽ. Đầu ra của bộ điều khiển này đƣợc lấy làm tín hiệu đặt cho bộ điều khiển thứ cấp. Tín hiệu q trình phản hồi về bộ điều khiển thứ cấp là nhiệt độ hơi quá nhiệt sau khi đã đƣợc phun giảm ôn (nhiệt độ hơi quá nhiệt trƣớc bộ quá nhiệt trƣớc bộ quá nhiệt cấp 1 và bộ quá nhiệt cấp 2). Bộ điều khiển sơ cấp thực hiện chức năng điều chỉnh thơ nhiệt độ hơi q nhiệt cịn bộ điều chỉnh thứ cấp làm nhiệm vụ điều chỉnh tinh, nhanh chóng đƣa giá trị nhiệt độ hơi quá nhiệt đạt tới giá trị ổn định. Bộ điều khiển thứ cấp có đáp ứng nhanh hơn ít nhất 3 lần so với bộ điều khiển sơ cấp.
Trong 2 phƣơng án trên điểm khác nhau căn bản là việc lấy tín hiệu đƣa vào bộ điều chỉnh và việc bố trí các bộ điều khiển theo sơ đồ nhƣ thế nào.
1.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
Trên cơ sở các đặc điểm tổng quát của một lò hơi trong nhà máy nhiệt điện, luận văn đề xuất đi sâu nghiên cứu bình bao hơi là một thiết bị giữ một vai trò quan trọng nhất của thiết bị lị hơi, q trình làm việc của bao hơi rất phức tạp do ảnh hƣởng của sự thay đổi của phụ tải. Chế độ làm việc của bao hơi phải luôn luôn giữ ở chế độ làm việc ổn định với trị số cho phép.
l
Hình 1.11: Sơ đồ cấu trúc hệ hai vòng điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt. nhiệt. O2~ R z y - O1~ D
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Trong bao hơi thì thơng số về nhiệt độ là vô cùng quan trọng gắn liền với q trình thuỷ động trong lị hơi. Cần phải giữ nhiệt độ trong bình ở trị số cho phép để đảm bảo quá trình làm việc đƣợc năng suất và hiệu quả nhất.
Do đó hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ của bình bao hơi đƣợc đặt ra với yêu cầu rất cao và nghiêm ngặt. Nó đảm bảo sự làm việc ổn định của lị hơi giữ đƣợc q trình thuỷ động học trong lị hơi và làm tăng tuổi thọ của các thiết bị trao đổi nhiệt trong lò hơi.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
CHƢƠNG 2
MƠ TẢ TỐN HỌC CHO ĐỐI TƢỢNG NHIỆT ĐỘ TRONG LÕ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
2.1. KHÁI QT CHUNG
Mơ hình là một hình thức mơ tả khoa học và cơ đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng. Một mơ hình phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó phục vụ hữu ích cho mục đích sử dụng. Mơ hình khơng những giúp ta hiểu rõ hơn về thế giới thực, mà còn cho phép thực hiện đƣợc một số nhiệm vụ phát triển mà khơng cần sự có mặt của q trình và hệ thống thiết bị thực. Mơ hình giúp cho việc phân tích kiểm chứng tính đúng đắn của một giải pháp thiết kế đƣợc thuận tiện và ít tốn kém, trƣớc khi đƣa giải pháp vào triển khai.
Có thể phân loại thành hai phạm trù là mơ hình vật lý và mơ hình trừu tƣợng. Mơ hình vật lý là một sự thu nhỏ và đơn giản hoá của hệ thống thực, đƣợc xây dựng trên cơ sở vật lý - hoá học giống nhƣ các quá trình và thiết bị thực.
Mơ hình vật lý là một phƣơng tiện hữu ích phục vụ đào tạo cơ bản và nghiên
cứu ứng dụng, nhƣng ít phù hợp cho các công việc thiết kế và phát triển của ngƣời kỹ sƣ điều khiển quá trình.
Mơ hình trừu tượng đƣợc 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 mơ hình trừu tƣợng của một hệ thống đƣợc gọi là mơ hình hố. Mơ hình hố là một q trình trừu tƣợng hố trong đó thế giới thực đƣợc mơ tả bằng một ngơn ngữ mơ hình hố và bỏ qua các chi tiết không thiết yếu. Trong kỹ thuật điều khiển, ta quan tâm trƣớc hết tới bốn dạng mơ hình trừu tƣợng sau:
Mơ hình đồ hoạ: Với các ngơn ngữ mơ hình hố đồ họa nhƣ lƣu đồ cơng nghệ,
lƣu đồ P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri, biểu đồ logic,... Mơ hình đồ hoạ phù hợp cho việc biểu diễn trực quan một hệ thống về cấu trúc liên kết và tƣơng tác giữa các thành phần.
Mơ hình tốn học: Với ngơn ngữ của tốn học nhƣ phƣơng trình vi phân (khả
năng biểu diễn mạnh, với mơ hình bậc cao thì khó sử dụng cho phân tích thiết kế hệ thống), phƣơng trình đại số, hàm truyền đạt, phƣơng 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,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
nhạy cảm với sai lệch thơng số, ít dùng cho điều khiển q trình). Mơ hình tốn học thích hợp cho mục đích nghiên cứu sâu sắc các đặc tính của từng thành phần cũng nhƣ bản chất của các mối liên kết và tƣơng tác.
Mơ hình suy luận: Là một hình thức biểu diễn thơng tin và đặc tính về hệ
thống thực dƣới dạng các luật suy diễn, sử dụng các ngơn ngữ bậc cao.
Mơ hình máy tính: Là các chƣơng trình phần mềm mơ phỏng đặc tính của hệ
thống theo những khía cạnh quan tâm. Mơ hình máy tính đƣợc xây dựng với các ngơn ngữ lập trình, trên cơ sở sử dụng các mơ hình tốn học hoặc mơ hình suy luận.
Mơ hình tốn học, mơ hình suy luận và mơ hình máy tính đƣợc xếp vào phạm trù mơ hình định lƣợng, trong khi mơ hình đồ hoạ thuộc phạm trù mơ hình định tính. Mơ hình định tính thƣờng quan tâm tới cấu trúc và mối liên quan giữa các thành phần hệ thống về mặt định tính. Trong khi đó một mơ hình định lƣợng cho phép thực thi các phép tính để xác định rõ hơn quan hệ về mặt định lƣợng giữa các đại lƣợng đặc trƣng trong hệ thống cũng nhƣ quan hệ tƣơng tác giữa hệ thống với mơi trƣờng bên ngồi.
Mặc dù cả bốn dạng mơ hình nói trên đều có vai trị quan trọng nhất định trong lĩnh vực điều khiển quá trình, các mơ hình tốn học đóng vai trị then chốt trong hầu hết nhiệm vụ phát triển hệ thống. Trong các bƣớc thực hiện nhiệm vụ phát triển, mô hình tốn học giúp các cán bộ cơng nghệ cũng nhƣ 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 ƣu hố thiết kế cơng nghệ và điều kiện vận hành hệ thống Thiết kế sách lƣợc 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
Mơ phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo vận hành
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
2.2. MƠ TẢ TĨAN HỌC CHO CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÕ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ LÕ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
2.2.1. Cấu trúc tổng quát một hệ điều khiển quá trình
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình đƣợc minh họa nhƣ hình 2.1:
a. Thiết bị đo
- Cấu trúc cơ bản:
Một thiết bị đo q trình có nhiệm vụ cung cấp thông tin về diễn biến của quá trình kỹ thuật và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình đƣợc minh hoạ nhƣ trên hình 2.2.
Thành phần cốt lõi của một thiết bị đo là cảm biến. Một cảm biến có chức năng chuyển đổi một đại lƣợng vật lý, ví dụ nhiệt độ, áp suất, mức, lƣu lƣợng, nồng độ sang một tín hiệu thơng thƣờng là điện hoặc khí nén. Một cảm biến có thể bao gồm một hoặc vài phần tử cảm biến, trong đó mỗi phần tử cảm biến lại là một bộ chuyển đổi từ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
một đại lƣợng này sang một đại lƣợng khác dễ xử lý hơn. Tín hiệu ra từ cảm biến thƣờng rất nhỏ, chƣa truyền đƣợc xa, chứa sai số do chịu ảnh hƣởng của nhiễu hoặc do độ nhạy kém của cảm biến, phi tuyến với đại lƣợng đo. Vì thế sau phần tử cảm biến ngƣời ta cần các khâu khuếch đại chuyển đổi, lọc nhiễu, điều chỉnh phạm vi, bù sai lệch và tuyến tính hố. Những chức năng đó đƣợc thực hiện trong một bộ chuyển đổi đo chuẩn. Một bộ chuyển đo đổi chuẩn đóng vai trị là một khâu điều hồ tín hiệu, nhận tín hiệu đầu vào từ một cảm biến và cho đầu ra là một tín hiệu chuẩn để có thể truyền xa và thích hợp với đầu vào của bộ điều khiển. Trong thực tế nhiều bộ chuyển đổi đo chuẩn đƣợc tích hợp ln cả phần tử cảm biến, vì vậy khái niệm 'Transmitter' cũng đƣợc dùng để chỉ các thiết bị đo.
Thuật ngữ:
Measurement device: Thiết bị đo Sensor: Cảm biến
Sensor element: Phần tử cảm biến, đầu đo Signal conditioning: Điều hồ tín hiệ Transmitter: Bộ chuyển đổi đo chuẩn Transducer: Bộ chuyển đổi theo nghĩa rộng Chất lƣợng và khả năng ứn
hành và tác động mơi trƣờng. Đặc tính tĩnh biểu diễn quan hệ giữa đại lƣợng đầu vào và giá trị tín hiệu đầu ra của thiết bị đo ở trạng thái xác lập, trong khi đặc tính động học biểu diễn quan hệ giữa biến thiên đầu vào và tín hiệu ra theo thời gian. Đặc tính tĩnh liên quan tới độ chính xác khi giá trị của đại lƣợng đo không thay đổi hoặc thay đổi rất chậm. Ngƣợc lại, đặc tính động học liên quan tới khả năng phản ứng của thiết bị đo khi đại lƣợng đo thay đổi nhanh.
- Đặc tính động
Khi giá trị đại lƣợng đo ít thay đổi hoặc thay đổi rất chậm, tín hiệu đo chỉ phụ thuộc vào giá trị đầu vào và ta chỉ cần quan tâm tới đặc tính tĩnh của thiết bị đo. Tuy nhiên tín hiệu đầu ra sẽ khơng thể đáp ứng ngay với sự thay đổi tƣơng đối nhanh của đại lƣợng đo. Quan hệ phụ thuộc của tín hiệu đầu ra vào cả đại lƣợng đo và biến thời
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
gian đƣợc gọi là đặc tính động học của thiết bị đo. Đặc tính động học của hầu hết các thiết bị đo có thể đƣợc mơ tả đƣợc mơ tả bằng một phƣơng trình vi phân cấp một hoặc cấp hai. Coi đặc tính của thiết bị đo là tuyến tính coi động học của nó có thể đƣợc biểu diễn với một khâu quán tính bậc nhất:
m m k y( s ) G ( s ) x( s ) 1 s Hoặc một khâu ổn định: m m 2 2 k y( s ) G ( s ) x( s ) 2 s s
Nói chung, đặc tính động học của một thiết bị đo có ảnh hƣởng ít nhiều tới chất lƣợng điều khiển. Nếu hằng số thời gian trong hai mơ hình trên rất nhỏ so với hằng số thời gian của q trình cơng nghệ, hay nói cách khác là phép đo có động học nhanh hơn nhiều so với động học của q trình, ta có thể bỏ qua qn tính của thiết bị đo và coi đặc tính của thiết bị đo nhƣ một khâu khuếch đại thuần tuý. Ngƣợc lại, nếu hằng số thời gian này không nhỏ hơn nhiều so với hằng số thời gian của q trình, ta có hai phƣơng án giải quyết:
Đƣa mơ hình động học của thiết bị đo vào mơ hình q trình
Vẫn chỉ sử dụng mơ hình tĩnh của thiết bị đo và coi sai số động gây ra là nhiễu đo.
Hàm truyền đạt thiết bị đo nhiệt độ bình bao hơi là một khâu quán tính bậc nhất
s T K S W d d 1 ) ( Trong đó:
K: hệ số khuyếch đại của thiết bị đo, đƣợc xác định nhƣ sau: C mA T I K MAX MAX 1
T: thời gian trễ của thiết bị đo, thƣờng lấy T = 0,01(s)
=> s S Wd 01 . 0 1 1 ) ( b. Thiết bị chấp hành
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ khiển. H 2.3 , van on/off van điều k điều khiển. - Cấu trúc cơ bản 2.4 - .
Hình 2.3: Cấu trúc cơ bản của thiết bị chấp hành
Cổng lưu chất ra Lị xo Chỉ thị hành trình Chốt van Cửa vào khí nén Chân van Màng chắn Cầu van Cổng lưu chất vào
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ nhƣ sau: . . . : - . - . . . .
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
t
2.5 .
.
Nếu van đƣợc định cỡ tốt thì quan hệ giữa lƣu lƣợng ra và độ mở van có thể đƣợc coi là tuyến tính, ít ra cũng trong phạm vi quan tâm. Trong thực tế hàm truyền của van thƣờng đƣợc coi là khâu qn tính bậc nhất có trễ, lấy gần đúng thì xem là khâu qn tính bậc nhất: ( ) 1 V V v K G s T s Trong đó:
K: hệ số khuyếch đại của van
T: thời gian trễ của van, thƣờng lấy T = 10 ms = 0,01s
Ta có khi độ mở của van thay đổi từ 5 80% thì nhiệt độ thay đổi từ 0 40 . Từ đó hệ số truyền của sự liên hệ giữa nhiệt độ qua van và độ mở của van là:
50 05 . 0 8 . 0 40 V K
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Kết hợp các hàm truyền ở trên ta có hàm truyền đạt với tín hiệu vào là áp suất khí nén và tín hiệu ra là lƣu lƣợng nƣớc cấp thông qua cơ cấu van:
s GV 01 . 0 1 50
c. Đối tƣợng điều khiển
Đối tƣợng điều chỉnh của hệ thống là nhiệt độ bình bao hơi, thơng qua việc tiến hành thí nghiệm lấy đƣờng đặc tính động của nhiệt độ với tác động điều chỉnh là lƣu lƣợng nƣớc phun giảm ơn ngƣời ta đã thu đƣợc đặc tính quá độ của đối tƣợng. Hàm truyền đạt của các đối tƣợng khơng có tính tự cân bằng đƣợc mô tả dƣới dạng gần đúng là một khâu tích phân có trễ sau:
. ( ) 1 s dt DT K e G s T s Trong đó:
K: hệ số khuyếch đại hay hệ số truyền. K=0.08
: hằng số thời gian trễ. Thƣờng lấy = 15 (s)
T: Hằng số thời gian của đối tƣợng T=0.01
Khi đó hàm truyền của đối tƣợng là:
1 01 . 0 . 08 . 0 ) ( 15 s e s G s dt Khâu trễ e-15s
có thể biến đổi gần đúng nhƣ sau:
15 1 1 15 s e s 2.2.2. Hàm truyền của hệ thống
Hệ thống điểu khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt sử dụng 1 bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân và 1 bộ vi phân hoặc 1 bộ PID và 1 bộ vi phân. Ngoài ra trong sơ đồ điều khiển cịn sử dụng các khối tính tốn để xử lý kết quả đo đạc từ các đầu đo gửi về. Tín hiệu đo nhiệt độ hơi quá nhiệt đƣợc lấy từ 3 đầu đo khác nhau đảm bảo độ tin cậy của tín hiệu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Từ sơ đồ khối trên ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển nhƣ sau:
Trong đó:
Tđ: Giá trị đặt nhiệt độ.
T: Đáp ứng nhiệt độ đầu ra của hệ thống. R(s) : bộ điều chỉnh nhiệt độ.
2.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2
Trong chƣơng 2 ta đã xây dựng đƣợc mơ tả tốn học cho đối tƣợng điều khiển nhƣ hình 2.6. Nhiệm vụ tiếp theo là phải tính tốn thông số thực tế của thiết bị thí nghiệm để xác định thơng số của đối tƣợng đó là hệ số khuyếch đại và hằng số thời gian của quá trình và cơ cấu chấp hành. Các công việc này, sẽ tiến hành ở chƣơng sau