3.1. H ệthống điều khiển mức nước bình ngưng
Hơi nước sau khi phun vào tuabin được sinh công chuy n xuể ống bình ngưng tụ thành nướ ại bình ngưng và được đưa trở ạ ệ ốc t l i h th ng các bình gia nhiệt nước c p ấ để ế ụ ti p t c cấp nước cho lò hơi, trong trường hợp thay đổ ải ví như tua bin giải t m tải, lượng hơi sẽ qua đường t t (bypass) v ắ ề bình ngưng lớn lúc đó lượng nước ngưng tăng cao, trong trường hợp này van điều khi n mể ức ngưng sẽ mở để chuyển một phần nước ngưng trong bình ngưng trích ra từ đường nước c p gia nhiấ ệt thấp áp v b n chề ồ ứa nước ngưng, lưu lượng nước h i v b n ch a ph thu c vào mồ ề ồ ứ ụ ộ ức nước dâng cao bao nhiêu so với giá trị đặt và tác động vào độ ở ủa van điề m c u khi n. ể
Việc b sunổ g nước cho bình ngưng từ ồ b n chứa nước ngưng trong trường h p ợ mức nước trong bình ngưng thấp, không đảm b o yêu c u hoả ầ ạt động trong trường hợp thay đổi tải.
Hình 12: Sơ đồ điều khiển mực nước trong bình ngưng
1 - Bình ngưng; 2 - B ộ điều ch nh mỉ ức nước (level controller); 3 - Van điều khiển lưu lượng nước v b chề ể ứa nướ ngưng; 4 Van điềc - u khiển lưu lượng nước c p b ấ ổ sung cho bình ngưng; 5 - Bình làm mát hơi chèn Tua bin; 6 Bơm nước ngưng.-
Các bảo vệ, báo động và liên động b o v (Interlock) mả ệ ực nước bình ngưng như
STT Tên Đơn vị
Mực báo động Low 2
(Th p 2) ấ
Low 1 (Th p 1) ấ
№rmal (Bình thương)
High 1 (Cao 1)
High 2 (rất cao)
1 Bình ngƣng
(Hotwell) mm 1828 1928 2127 2326 2526
Liên động m c ự nước bình ngưng:
- Ở điều ki n vệ ận hành bình thường mực bình ngưng được duy trì b i van ở điều khi n *0GHC20AA001. ể
- Mực nước đạt giá tr ị High I: Đóng van điều khiển đường nước b sung vào ổ bình ngƣng (10GHC20AA001) thông qua interlock.
- Mực nước ngưng đạt giá tr High II: M van x ị ở ả điều khi n mể ực bình ngưng (10LCP10AA001) thông qua interlock, m LP Bypass thông qua kh i và ở ố đóng LP Bypass thông qua bảo v . ệ
- Mực nước bình ngưng đạt giá tr ị Low I: Đóng van xả điều khi n m c bình ể ự ngưng (10LCP10AA001) thông qua Interlock, m ở van điều khiển nước b ổ sung (10LCP20AA001) thông qua Interlock và điều ki n ngệ ừng bơm ngƣng.
- Mực nƣ c đớ ạt giá tr ị Low II: Trip bơm ngƣng 3.2. Mô t toán hả ọc hệthống điều khiển mức bình ngƣng 3.2.1. Đặt bài toán
Mô t toán h c cả ọ ủa đối tƣợng là đƣa đối tƣợng v m t d ng mô hình toán nào ề ộ ạ đó. Mô hình là m t hình th c mô t khoa hộ ứ ả ọc và cô đọng các khía c nh thi t y u ạ ế ế c a m t h ủ ộ ệ thống th c, có th có s n ho c c n ph i xây d ng. M t mô hình phự ể ẵ ặ ầ ả ự ộ ản ánh h ệ thống th c t mự ừ ột góc nhìn nào đó phục v h u ích cho mụ ữ ục đích sử d ng.Mô hình không nh ng giúp ta hiụ ữ ểu rõ hơn về thế ớ gi i th c, mà còn cho phép ự thực hiện đƣợc m t s nhi m v phát tri n mà không c n s có m t c a quá trình và ộ ố ệ ụ ể ầ ự ặ ủ h ệthống thi t b ế ịthực. Mô hình giúp cho vi c phân tích ki m chệ ể ứng tính đúng đắn c a m t gi i pháp thi t k ủ ộ ả ế ế được thu n ti n và ít tậ ệ ốn kém, trước khi đưa giải pháp
Có thể phân loại thành hai phạm trù là mô hình vật lý và mô hình trừu tƣợng.Mô hình vật lý là một sự thu nhỏvà đơn giản hoá của hệthống thực, đƣợc xây dựng trên cơ sở vật lý - hoá học giống nhƣ các quá trình và thiết b ịthực.
- Mô hình v t lý là mậ ột phương tiện h u ích ph c v ữ ụ ụ đào tạo cơ bản và nghiên c u ng dứ ứ ụng, nhƣng ít phù hợp cho các công vi c thi t k và phát tri n cệ ế ế ể ủa ngườ ỹ sư điềi k u khi n quá trình. ể
- Mô hình trừu tƣợngđƣợc xây dựng trên cơ sở ộ m t ngôn ng b c cao, nhữ ậ ằm mô t m t cách logic các quan h v m t chả ộ ệ ề ặ ức năng giữa các thành ph n c a h ầ ủ ệ thống. Vi c xây d ng mô hình trệ ự ừu tƣợng c a m t h ủ ộ ệ thống đƣợc g i là mô hình ọ hoá. Mô hình hoá là m t quá trình trộ ừu tƣợng hoá trong đó thế ớ gi i thực đƣợc mô t ả b ng m t ngôn ng mô hình hoá và b qua các chi ti t không thi t y u. Trong k ằ ộ ữ ỏ ế ế ế ỹ thuật điều khiển, ta quan tâm trước hế ớ ốt t i b n d ng mô hình trạ ừu tượng sau:
Mô hình đồ ho : V i các ngôn ng ạ ớ ữ mô hình hoá đồ ọa như lưu đồ h công nghệ, lưu đồ P&ID, sơ đồ khối, m ng Petri, biạ ểu đồ logic,... Mô hình đồ ho phù ạ h p cho viợ ệc biểu di n tr c quan m t h ễ ự ộ ệthống v c u trúc liên kề ấ ết 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 nhƣ bản chất của các mối liên kết và tương tác.
Mô hình suy lu n: Là m t hình th c bi u diậ ộ ứ ể ễn thông tin và đặc tính v h ề ệ thống thực dướ ại d ng các lu t suy di n, s d ng các ngôn ng b c cao. ậ ễ ử ụ ữ ậ
Mô hình máy tính: Là các chương trình phần m m mô phề ỏng đặc tính c a ủ h ệthống theo nh ng khía cữ ạnh quan tâm. Mô hình máy tính đƣợc xây d ng v i các ự ớ ngôn ng lữ ập trình, trên cơ sở ử ụ s d ng các mô hình toán h c ho c mô hình suy lu n. ọ ặ ậ Mô hình toán h c, mô hình suy luọ ận và mô hình máy tính đƣợc x p vào ph m trù ế ạ mô hình định lƣợng, trong khi mô hình đồ ho thu c phạ ộ ạm trù mô hình định tính.
ph n h ầ ệ thống v mề ặt định tính. Trong khi đó một mô hình định lƣợng cho phép thực thi các phép tính để xác định rõ hơn quan hệ ề ặt định lƣợ v m ng giữa các đại lượng đặc trưng trong hệ ống cũng như quan hệ tương tác giữ th a h th ng v i môi ệ ố ớ trường bên ngoài.
M c dù c b n dặ ả ố ạng mô hình nói trên đều có vai trò quan tr ng nhọ ất định trong lĩnh vực điều khi n quá trình, các mô hình toán hể ọc đóng vai trò then chốt trong hầu hết nhi m vệ ụ phát triển h ệthống. Trong các bước th c hiệự n nhi m v phát ệ ụ triển, mô hình toán h c giúp các cán b công ngh ọ ộ ệ cũng nhƣ cán bộ điều khi n cho ể các mục đích sau đây:
- Hiểu rõ hơn về quá trình s c n phẽ ầ ải điều khi n và v n hành. ể ậ - Tối ƣu hoá thiết kế công ngh ệ và điều ki n v n hành h ệ ậ ệthống.
- Thiết kế sách lƣợc và cấu trúc điều khi n. ể
- Lựa chọn b ộ điều khiển và xác định các tham s ốcho bộ điều khi n. ể - Phân tích và ki m ch ng các kể ứ ết quảthiết kế.
- Mô phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo v n hành. ậ
Xác định rõ mục đích ử ụ s d ng c a mô hình là m t vi c h t s c c n thi t, b i ủ ộ ệ ế ứ ầ ế ở mục đích sử ụ d ng quyết định t i vi c l a chớ ệ ự ọn phương pháp mô hình hoá cũng như mức độchi tiết và chính xác c a mô hình sau này. ủ
3.2.2. Mô t toán h c cho các thành ph n trong h ả ọ ầ ệthống điều khi n mể ức nước bình ngƣng nhà máy nhiệt điện
3.2.2.1. Xây dựng cấu trúc h ệthống điều khiển mức nước bình ngưng
Cấu trúc điều khi n c a h ể ủ ệ thống điều khiển quá trình nói chung đƣợc minh họa nhƣ hình 3.2:
Hình 13: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình
3.2.2.2. Hàm truy n các thành ph n c a h ề ầ ủ ệthống a. Thiết bị đo :
Cấu trúc cơ bản:
Hình 14: Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình
M t thi t b ộ ế ị đo quá trình có nhiệm v cung c p thông tin v di n bi n c a quá ụ ấ ề ễ ế ủ trình k ỹthuật và cho đầu ra là m t tín hi u chu n. Cộ ệ ẩ ấu trúc cơ bản c a m t thi t b ủ ộ ế ị đo quá trình đƣợc minh ho ạ nhƣ trên hình 14.
Thành ph n c t lõi c a m t thi t b ầ ố ủ ộ ế ị đo là cảm bi n. M t c m bi n có chế ộ ả ế ức năng chuyển đổi một đại lượng v t lý, ví d nhiậ ụ ệt độ, áp su t, mấ ức, lưu lượng, n ng ồ độ sang m t tín hiộ ệu thông thường là điện ho c khí nén. M t c m bi n có th bao ặ ộ ả ế ể g m m t ho c vài ph n t c m biồ ộ ặ ầ ử ả ến, trong đó mỗi ph n t c m bi n l i là m t b ầ ử ả ế ạ ộ ộ chuyển đổ ừ ột đại lƣợi t m ng này sang một đại lƣợng khác d x ễ ử lý hơn. Tín hiệu ra t c m biừ ả ến thường r t nhấ ỏ, chưa truyền được xa, ch a sai s do ch u ứ ố ị ảnh hưởng c a nhi u hoủ ễ ặc do độ nh y kém c a c m bi n, phi tuy n vạ ủ ả ế ế ới đại lƣợng đo. Vì thế sau ph n t c m biầ ử ả ến người ta c n các khâu khuầ ếch đại chuyển đổ ọi, l c nhiễu, điều chỉnh ph m vi, bù sai l ch và tuy n tính hoá.Nh ng chạ ệ ế ữ ức năng đó đƣợc th c hi n ự ệ trong m t b chuyộ ộ ển đổi đo chuẩn.M t b chuyộ ộ ển đổi chuẩn đóng vai trò là một khâu điều hoà tín hi u, nh n tín hiệ ậ ệu đầu vào t m t c m biừ ộ ả ến và cho đầu ra là m t ộ tín hi u chuệ ẩn để có th truy n xa và thích h p vể ề ợ ới đầu vào c a b ủ ộ điều khiển.
Trong th c t nhi u b chuyự ế ề ộ ển đổi đo chuẩn đƣợc tích h p luôn c ph n t cợ ả ầ ử ảm bi n, vì v y khái ni m Transmit ế ậ ệ tercũng đƣợc dùng đểchỉcác thiế ị đo.t b
Hình 15: Một số hình ảnh thiết bị đo công nghiệp
Chất lƣợng và kh ả năng ứng d ng c a m t thi t b ụ ủ ộ ế ị đo phụthuộc vào nhi u y u ề ế t ố mà ta khái quát là các đặc tính thi t b ế ị đo, bao gồm đặc tính vận hành, đặc tính tĩnh và đặc tính động học. Đặc tính v n hành bao g m các chi ti t v kh ậ ồ ế ề ả năng đo chi ti t v n hành và tác ế ậ động môi trường. Đặc tính tĩnh biểu di n quan h giễ ệ ữa đại lƣợng đầu vào và giá tr tín hiị ệu đầu ra c a thi t b ủ ế ị đo ở ạ tr ng thái xác l p, trong khi ậ đặc tính động h c bi u di n quan h gi a biọ ể ễ ệ ữ ến thiên đầu vào và tín hi u ra theo th i ệ ờ gian. Đặc tính tĩnh liên quan tới độ chính xác khi giá tr cị ủa đại lƣợng đo không thay đổi hoặc thay đổ ấi r t chậm. Ngƣợc lại, đặc tính động h c liên quan t i kh ọ ớ ả năng phả ứn ng c a thi t b ủ ế ị đo khi đại lƣợng đo thay đổi nhanh.
Đặc tính động:
Khi giá tr ị đại lƣợng đo ít thay đổi hoặc thay đổ ấi r t ch m, tín hiậ ệu đo chỉ ph ụ thuộc vào giá tr u vào và ta ch c n quan tâm tị đầ ỉ ầ ớ ặc tính tĩnh củi đ a thiết bị đo. Tuy nhiên tín hiệu đầu ra s không th ẽ ể đáp ứng ngay v i s ớ ự thay đổi tương đối nhanh của đại lƣợng đo. Quan hệ ph ụthuộc của tín hiệu đầu ra vào c ả đại lƣợng đo và biến thời gian đƣợc gọi là đặc tính động h c c a thi t b ọ ủ ế ị đo. Đặc tính động h c c a h u ọ ủ ầ h t các ế thiế ị đo có thể đượt b c mô t b ng mả ằ ột phương trình vi phân cấp m t hoộ ặc cấp hai. Coi đặc tính c a thi t b ủ ế ị đo là tuyến tính coi động h c c a nó có th ọ ủ ể đƣợc bi u di n v i m t khâu quán tính bể ễ ớ ộ ậc nhất:
Hoặc m t khâu ộ ổn định:
Nói chung, đặc tính động h c c a m t thi t b ọ ủ ộ ế ị đo có ảnh hưởng ít nhi u t i ề ớ chất lƣợng điều khi n. N u h ng s th i gian trong hai mô hình trên r t nh so v i ể ế ằ ố ờ ấ ỏ ớ h ng s ằ ố thời gian c a quá trình công nghủ ệ, hay nói cách khác là phép đo có động học nhanh hơn nhiều so với động h c c a quá trình, ta có th b qua quán tính cọ ủ ể ỏ ủa thi t bế ị đo và coi đặc tính c a thi t b ủ ế ị đo nhƣ một khâu khuếch đại thuần tuý. Ngƣợc l i, n u h ng s ạ ế ằ ốthời gian này không nh ỏ hơn nhiều so v i h ng s ớ ằ ốthời gian của quá trình, ta có hai phương án giải quy t: ế
- Đƣa mô hình động h c cọ ủa thiết bị đo vào mô hình quá trình.
- V n ch s dẫ ỉ ử ụng mô hình tĩnh của thi t b ế ị đo và coi sai số độ ng gây ra là nhiễu đo.
Hàm truyền đạt thi t b ế ị đo mức nước bình ngưng là bộ chuyển đổi model SDT-420 c a hãng SEOJIN INSTECH có dủ ải đo 0 †1000mm, tương ứng cho tín hiệu đầu ra d ng dòng liên t c 4 ÷ 20mA. Thi t b này có hàm truyạ ụ ế ị ền đạt là một khâu quán tính b c nh ậ ất.
Trong đó:
K: hệ ố s khuyếch đại của thiế ị đo, đƣợc xác địt b nh nhƣ sau:
T: thời gian tr c a thi t bễ ủ ế ị đo, thường l y T = 0,005(s) ấ
b. Thi t b ế ịchấp hành
M t h ộ ệ thống/thi t b ế ị chấp hành có chức năng can thiệp t i biớ ến điều khi n. ể Hình 16 minh ho cạ ấu trúc cơ bản của m t thi t b ch p hành. Thành ph n can thiộ ế ị ấ ầ ệp trựctiếp t i biớ ến điều khiển đƣợc g i là ph n t ọ ầ ử điều khi n, ví d van t l , van ể ụ ỷ ệ on/off, tiếp điểm, sợi đốt, băng tải. Ph n t ầ ử điều khiển đƣợc truyền năng lƣợng truyền động t ừ cơ cấu ch p hành, ví d các h ấ ụ ệthống động cơ, cuộn hút và cơ cấu khí nén, thu l c.Trong các h ỷ ự ệ thống điều khi n quá trình thì h u h t biể ầ ế ến điều khiển là lưu lượng, vì th ế van điều khi n là thi t b ể ế ịchấp hành tiêu bi u nh t và quan ể ấ
đường ng d n t l v i tín hiố ẫ ỉ ệ ớ ệu điều khi n. Trong nể ội dung sau đây ta tập trung vào các y u t ế ố cơ bản c a mủ ột van điều khiển.
Hình 16 C: ấu trúc cơ bản c a thiủ ết bịchấp hành
Cấu trúc cơ bản: Một van điều khiển bao gồm thân van đƣợc ghép nối với một cơ ch chế ấp hành cùng với các phụ kiện liên quan. Trên hình 6 là hình 3. ảnh mặt cắt của một van khí nén với cơ chế truyền động màng rung - lò xo.
Hình 17: C u trúc tiêu bi u c a mấ ể ủ ột van cầu khí nén
Phần thân van cùng các ph kiụ ện được g n vắ ới đường ống, đóng vai trò là ph n t ầ ử điều khiển. Độ ở van và lưu lượng qua van được xác đị m nh b i hình dở ạng và v trí ch t van. Ta có th phân lo i van d a theo thiị ố ể ạ ự ết kế và ki u chuyể ển động của chốt van nhƣ sau:
- Van nút: Chốt xoay hình tr ho c mụ ặ ột phần hình tr . ụ - Van bi: Chốt xoay hình c u ho c mầ ặ ột phần hình c u. ầ - Van bướm: Chốt xoay hình đĩa
Cơ cấu ch p hành van có nhi m v cung cấ ệ ụ ấp năng lƣợng và t o ra chuy n ạ ể động cho ch t van thông qua c u van ho c tr c an.ố ầ ặ ụ v Ph n lầ ớn van điều khi n công ể nghiệp đƣợc c p ngu n khí nén, song mấ ồ ột số nguồn năng lƣợng khác nhƣ điện, điện t ho c thu lừ ặ ỷ ực cũng có thể đƣợ ử ục s d ng. Ta có th phân lo i van dể ạ ựa theo cơ chế truyền động nhƣ sau:
- Van khí nén: Lo i ph bi n nh t, truyạ ổ ế ấ ền động khí nén s d ng màng ch n/ ử ụ ắ lò so ho c piston. Tín hiặ ệu đầu vào có th ể là khí nén, dòng điện ho c tín hi u sặ ệ ố.
N u tín hiế ệu điều khi n là dể òng điện, ta c n b chuyầ ộ ển đổi dòng điện - khí nén (I/P) tích hợp bên trong ho c tách riêng bên ngoài. ặ
- Van điện: Cơ chế chấp hành s dử ụng động cơ servo hoặc động cơ bước, được điều khi n tr c ti p t ể ự ế ừtín hiệu đầu ra c a b ủ ộ điều khiển, thông thường là dòng điện tương tự 4-20mA ho c tín hi u sặ ệ ố. Van điện được s d ng trong nh ng ng ử ụ ữ ứ d ng công suụ ất nhỏ đòi hỏ ội đ chính xác cao.
- Van thuỷ lực: Cơ chế chấp hành sử dụng hệ thống bơm dầu k t hế ợp màng chắn hoặc piston, bơm dầu đƣợc điều khiển b i tín hiở ệu ra từ bộ điều khiển. Van thuỷ lực đƣợ ửc s dụng cho các ứng dụng công su t l n. ấ ớ
- Van t : ừ Cơ ếch chấp hành cu n hút k t h p lò xo, l c nén yộ ế ợ ự ếu và độ chính xác kém, ch phù h p vỉ ợ ới các bài toán đơn giản.
Phầ ớn van điền l u khi n công nghiể ệp đƣợc thi t k ế ế để có tính an toàn cơ học, có nghĩa là khi không có tín hiệu điều khi n thì van ho c phể ặ ải đóng hoàn toàn hoặc ph i m ả ở hoàn toàn để ngăn chặn nguy cơ sảy ra tai n n. Ví d , m t v n khí nén ạ ụ ộ ạ có s lò xo thì ch t van s ử ố ẽ đƣợc kéo v v ề ị trí ban đầu n u m t nguế ấ ồn năng lƣợng cung cấp. Nhƣng không phải van nào cũng có tính an toàn cơ học, ví d ụ van điện hoặc van khí nén không s dử ụng lò xo đố ự ẽ ữi l c s gi nguyên v trí m van sau khi m t tín ị ở ấ hiệu điều khi n ho c mể ặ ất nguồn năng lƣợng c p. ấ
Hình 18: Biểu tượng và ký hi u cho kiệ ểu tác động của van điều khi n ể
Chiều mũi tên chỉ xuống hướng t i thân van th hi n kiớ ể ệ ểu van là đóng an toàn, còn khi mũi tên ngƣợ ạc l i ch th ki u m toàn. Sỉ ị ể ở an ự ự l a ch n kiọ ểu tác động c a ủ van thu n tuý d a trên nguyên tầ ự ắc đảm bảo an toàn trong trường h p m t tín hiợ ấ ệu điều khi n ho c m t nguể ặ ấ ồn năng lƣợng c p. Hình 3.7 minh hấ ọa van đóng an toàn (fail-closed FC, ho c air- -open AO) và van m an toàn (failopen FO, ho c air- -ặ to ở ặ to close AC) sử ụng trong điề d u khi n quá trình. ể
S l a ch n kiự ự ọ ểu tác động của van điều khi n ể ảnh hưởng t i l a ch n h s ớ ự ọ ệ ố khuếch đại của bộ điều khi n ph n h i sau này. ể ả ồ
Van đóng an toàn có độ ở m van lớn hơn khi tín hiệu điều khiển tăng. Lưu ý khái niệm „chiều tác động‟ ủc a bản thân van điều khiển đƣợc định nghĩa trong các tài li u chu n d a theo chi u chuyệ ẩ ự ề ển động c a ch t van. Chiủ ố ềutác động thuận đƣợc định nghĩa là độ ở van tăng lên khi tín hiệu điề m u khiển tăng.
Nếu van được định c t thì quan h giỡ ốt ệ ữa lưu lượng ra và độ ở m van có th ể đƣợc coi là tuyến tính, ít ra cũng trong phạm vi quan tâm. Trong th c t hàm truy n ự ế ề của van thường được coi là khâu quán tính b c nh t có tr , l y gậ ấ ễ ấ ần đúng thì xem là khâu quán tính b c nh ậ ất:
Trong đó: là hệ ố s khuếch đại của van T: Thời gian tr cễ ủa van, thường l y T = 25 ms = 0.025 s ấ
Khi tín hiệu vào thay đổ ừi t 1,2 ÷ 3 thì độ ở ủa van thay đổ ừ m c i t 0 ÷ 77%, khi đó hệ ố s khuếch đ i đƣạ ợc xác định nhƣ sau:
đ