THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
Giới thiệu chung về nhà máy nhiệt điện
1.1.1.Nguyên lý hoạt động của nhà máy nhiệt điện
Hiện nay, các nhà máy nhiệt điện trên thế giới và tại Việt Nam đang được xây dựng và hiện đại hóa công nghệ để tối ưu hóa công suất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
Các nguồn nhiên liệu tự nhiên như than đá, dầu mỏ và khí dầu mỏ được khai thác để sản xuất nhiệt năng cho các nhà máy nhiệt điện Hiện tại, có hai loại hình nhà máy nhiệt điện chính.
- Nhà máy nhiệt điện tuabin hơi.
- Nhà máy nhiệt điện tuabin khí.
+ Với nhà máy nhiệt điện tuabin hơi:
Nhiên liệu hữu cơ chủ yếu là than bột, được đốt trong lò hơi để tạo nhiệt và hóa hơi nước trong các giàn ống sinh hơi Hơi sinh ra được vận chuyển qua các hệ thống phân ly và quá nhiệt nhằm đảm bảo nhiệt độ, áp suất và lưu lượng cần thiết cho việc sinh công hiệu quả Hơi bão hòa sau đó được đưa vào các tầng cánh tuabin để tạo mômen quay cho hệ thống máy phát, trong khi hơi nước sau khi qua tuabin được thu hồi và tuần hoàn lại.
+ Với nhà máy nhiệt điện tuabin khí:
Không khí ngoài trời được làm sạch và loại bỏ hơi nước trước khi được đưa vào máy nén khí để nâng áp suất Khí có áp suất cao sau đó được đưa vào buồng đốt và đốt với nhiên liệu, thường là khí gas Chất khí sau khi đốt có nhiệt độ và áp suất cao sẽ đi vào các tầng tuabin khí để sinh công Tuabin quay làm quay máy phát điện, từ đó tạo ra năng lượng dưới dạng điện năng.
1.1.2.Chu trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện
Nước ngưng từ các bình ngưng tụ được bơm vào các bình gia nhiệt hạ áp, nơi nước ngưng được gia nhiệt bằng hơi nước từ tuabin Sau khi qua các bộ gia nhiệt hạ áp, nước được đưa lên bình khử khí để loại bỏ bọt khí, nhằm chống ăn mòn kim loại Nước đã khử khí tiếp tục được bơm qua các bình gia nhiệt cao áp, nhận thêm nhiệt từ hơi nước ở xilanh cao áp của tuabin Sau đó, nước được đưa vào bộ hâm nước ở đuôi lò và vào bao hơi, nơi nước tuần hoàn tự nhiên chảy xuống các giàn ống sinh hơi, nhận nhiệt từ buồng đốt và biến thành hơi nước Hơi bão hòa ẩm trong bao hơi được đưa qua các bộ sấy hơi để trở thành hơi quá nhiệt trước khi vào tuabin Tại tuabin, động năng của dòng hơi được biến thành cơ năng quay trục hệ thống Tuabin-Máy phát Hơi sau khi sinh công tại tuabin sẽ ngưng tụ thành nước ở bình ngưng tụ, hoàn thành vòng tuần hoàn kín, biến đổi nhiệt năng của nhiên liệu thành cơ năng và điện năng.
2 2 Lò hơi nhà máy nhiệt điện
2.2.1.Nhiệm vụ của lò hơi
Lò hơi là thiết bị lớn nhất và phức tạp nhất trong nhà máy nhiệt điện, với mức độ cơ khí hóa và tự động hóa cao, đảm bảo hiệu suất hoạt động tốt Các nhiệm vụ chính của lò hơi bao gồm việc sản xuất hơi nước phục vụ cho quá trình phát điện và duy trì hoạt động ổn định của nhà máy.
-Chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu hữu cơ như than đá, dầu mỏ, khí đốt… thành điện năng.
Nhiệt năng được truyền cho môi chất tải nhiệt nhằm nâng cao nhiệt độ từ trạng thái lỏng thông thường lên nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ sôi, giúp chuyển đổi chúng thành hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt.
2.2.2.Các loại lò hơi chính
Trong các nhà máy điện, lò hơi thường được sử dụng bao gồm lò hơi tuần hoàn tự nhiên nhiều lần, với áp suất hơi được chọn là p0 < Pth (Pth = 221 [at]), và lò trực lưu.
Trong lò, nước được tuần hoàn tự nhiên qua ống nước xuống và giàn ống sinh hơi nhờ vào trọng lượng riêng của môi chất Nguyên lý hoạt động dựa trên việc bề mặt nhận nhiệt nhiều hơn sẽ dãn nở và có khối lượng riêng nhỏ hơn, từ đó bị đẩy lên phía trên trong giàn ống sinh hơi Để đạt được quá trình tuần hoàn tự nhiên từ 4 đến 10 lần, ống nước xuống và giàn ống sinh hơi cần phải được kết nối với bao hơi.
Lò trực lưu không có bao hơi, do đó nước chỉ được tuần hoàn một lần Nước di chuyển dưới áp lực của bơm cấp (Bc) qua bộ hâm nước và trực tiếp vào bề mặt sinh hơi, nơi nhận nhiệt từ luồng lửa Sau đó, nước chuyển hóa hoàn toàn thành hơi bão hòa khô và tiếp tục đến bộ quá nhiệt.
Việc sản xuất hơi nước từ hai loại lò diễn ra qua ba quá trình vật lý: đun nước đến nhiệt độ sôi, nước sôi để chuyển đổi hoàn toàn từ pha lỏng sang hơi bão hòa khô, và quá trình quá nhiệt đến nhiệt độ đã định Nhiệt độ sôi tS, nhiệt lượng cần thiết để đun nóng nước đến nhiệt độ sôi i’, nhiệt lượng sinh hơi r, và nhiệt hàm của hơi bão hòa khô i” sẽ thay đổi tùy thuộc vào áp suất trong quá trình sinh hơi, như được minh họa trong bảng 1.1.
Khi áp suất sinh hơi tăng, nhiệt độ sôi cũng tăng theo, dẫn đến việc nhiệt lượng sinh hơi giảm Tại áp suất tới hạn 225,7 ata (221,29 bar) và nhiệt độ sôi 374,15°C, nhiệt sinh hơi đạt giá trị bằng 0, vì lúc này không còn quá trình sôi diễn ra.
Quá trình truyền nhiệt từ sản phẩm cháy đến môi chất diễn ra thông qua ba hình thức trao đổi nhiệt chính: bức xạ, đối lưu và dẫn nhiệt Hiệu quả của các hình thức này phụ thuộc vào tính chất vật lý của môi trường và các chất tham gia, cũng như hình dạng của lò hơi và các thiết bị bên trong.
Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo của lò hơi có bao hơi
Tên bộ phận Ký hiệu
1 Buồng đốt nhiên liệu 12 Quạt gió
2 Bơm cấp 13 Thùng nghiền than
3 Bộ hâm nóng nước 14 Bộ sấy không khí
4 Đường ống dẫn nước vào bao hơi (balông)
6 Dàn ống nước xuống 17 Đường khói thải
7 Dàn ống dẫn nước lên 18 Bộ khử bụi khói
8 Dãy Pheston cùng với bao hơi tạo thành vòng tuần hoàn tự nhiên của nước và hơi
9 Đường ống dẫn hơi bão hoà tới bộ quá nhiệt
10 Bộ quá nhiệt 21 Phễu đựng tro bay
11 Van hơi chính đặt trên đường ống dẫn hơi tớiturbine
Lò hơi có bao hơi đốt phun, như hình 1.1, là loại lò hơi phổ biến trong các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam và trên toàn thế giới, với công suất tương đối lớn Các bộ phận chính của lò hơi được trình bày trong bảng 1.2.
2.2.3.Các hệ thống điều chỉnh trong lò hơi nhà máy nhiệt điện
Vận hành lò hơi là một công việc phức tạp, liên quan chặt chẽ đến quá trình hoạt động tổng thể của nhà máy Mọi thay đổi trong các khâu của nhà máy đều ảnh hưởng đến chế độ vận hành của lò hơi, yêu cầu các thao tác điều khiển phù hợp để đảm bảo hiệu quả và an toàn trong quá trình vận hành.
Nghiên cứu về hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện
Trong quá trình vận hành lò hơi, việc duy trì mức nước bao hơi ổn định là rất quan trọng, do mức nước thường xuyên thay đổi và dao động lớn Người vận hành cần điều chỉnh kịp thời để giữ mức nước trong giới hạn cho phép, nhưng do có nhiều thông số cần theo dõi, việc này trở nên khó khăn Hệ thống điều chỉnh tự động lò hơi đóng vai trò quan trọng trong việc tự động điều chỉnh mức nước, đảm bảo sự cân bằng giữa lượng hơi sinh ra và lượng nước cấp vào bao hơi Vòng điều khiển tự động này giúp duy trì mức nước tại giá trị mong muốn khi tải lò thay đổi, thông qua việc điều chỉnh lưu lượng nước cấp dựa trên độ mở của van cấp nước và áp lực nước Lưu lượng này được quản lý bởi hai van điều chỉnh và tốc độ bơm cấp, nhằm duy trì chênh áp đầu vào giữa các van và bộ hâm.
1.3.2.Mục tiêu của nghiên cứu
Thiết kế sách lược điều khiển phản hồi cho mức chất lỏng trong bình chứa là rất quan trọng để duy trì cột áp cho lò hơi trong nhà máy nhiệt điện Sử dụng bộ điều khiển mờ để điều chỉnh tham số PID giúp đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và an toàn Đối với bình chứa chất lỏng trung gian, mục tiêu là giảm thiểu tương tác và nhiễm, trong khi đó, với bình chứa quá trình, giá trị mức cần được duy trì chính xác tại một giá trị đặt an toàn.
1.3.3.Dự kiến các kết quả đạt được
Lập cấu trúc điều khiển PID và điều khiển mờ để điều chỉnh tham số PID, sau đó mô phỏng bằng phần mềm Matlab – Simulink nhằm kiểm chứng kết quả tính toán lý thuyết Cuối cùng, tiến hành thí nghiệm trên mô hình điều khiển quá trình tại trung tâm thí nghiệm của trường.
Kết luận chương 1
Luận văn này tập trung nghiên cứu hệ thống điều khiển mức nước trong bao hơi của lò hơi trong nhà máy nhiệt điện, một nhiệm vụ quan trọng trong quá trình vận hành lò hơi Công nghệ điều khiển này đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực năng lượng và hóa chất.
DỰNG BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN MỨC LÒ HƠI CHO MÔ HÌNH NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
Giới thiệu về mô hình hệ thống điều khiển mức lò hơi trong phòng thí nghiệm
Mô hình hệ thống điều khiển quá trình nhà máy nhiệt điện được thiết kế để mô phỏng các quy trình cơ bản trong nhà máy, giúp sinh viên hiểu rõ về cấu trúc và hoạt động của nhà máy nhiệt điện Mô hình này cung cấp cái nhìn tổng quan về các quy trình công nghiệp cũng như các thiết bị đo lường và điều khiển như bộ cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp lực, cảm biến mức, cảm biến lưu lượng và động cơ Những thiết bị này là những yếu tố thiết yếu và phổ biến trong ngành công nghiệp, giúp sinh viên có cái nhìn thực tế về công nghệ và ứng dụng trong môi trường làm việc.
Sinh viên sẽ phân tích các bài toán thực tế từ nhà máy nhiệt điện để đưa ra các bài toán điều khiển các đối tượng trong quá trình hoạt động của nhà máy Việc áp dụng các bài toán điều khiển đã học vào thực tế sẽ giúp sinh viên hiểu rõ hơn về quy trình và tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của nhà máy.
Sinh viên có khả năng phát triển và lập trình các thuật toán điều khiển cho các đối tượng trong mô hình, đồng thời phân tích cấu trúc điều khiển một cách trực quan thông qua hệ giám sát quá trình Họ cũng được tiếp cận với phần mềm lập trình và thiết kế hệ giám sát của hãng ABB, một công cụ phổ biến trong ngành công nghiệp Qua đó, sinh viên có thể học hỏi các kỹ năng cơ bản và ứng dụng thực tiễn của phần mềm này khi bước vào môi trường làm việc.
Một số hình ảnh về mô hình hệ thống điều khiển mức lò hơi trong phòng thí nghiệm:
Hình 2.1: Cấu trúc thí nghiệm điều khiển mức nước lò hơi
Hình 2.2: Bình mức trong thí nghiệm điều khiển mức nước lò hơi
Hình 2.3: Giao diện trong thí nghiệm điều khiển mức nước lò hơi
2.1.2 Phân tích nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện và các đối tượng điều khiển
Nguyên lý sản xuất điện tại nhà máy nhiệt điện là chuyển hóa nhiệt năng từ nhiên liệu cháy trong lò hơi thành cơ năng quay tuabin, sau đó chuyển đổi cơ năng này thành điện năng trong máy phát điện Hơi nước, với vai trò là môi trường dẫn nhiệt, cần đảm bảo chất lượng như áp suất và độ khô trước khi vào tuabin Mức độ nhiệt năng cung cấp tỷ lệ thuận với lượng điện năng sản xuất Điện áp phát ra từ máy phát điện sẽ được nâng lên qua hệ thống trạm biến áp trước khi hòa vào mạng lưới điện quốc gia.
Quá trình chuyển hoá năng lượng từ nhiên liệu đến điện năng bắt đầu bằng việc đốt cháy nhiên liệu để tạo ra nhiệt năng Nhiệt năng này được sử dụng để tạo ra hơi bão hoà, đóng vai trò là môi trường truyền nhiệt từ lò đến tuabin Tại tuabin, nhiệt năng được chuyển đổi thành cơ năng, và cuối cùng, cơ năng được chuyển hoá thành điện năng Mô hình này thể hiện rõ quy trình chuyển đổi năng lượng hiệu quả trong hệ thống.
Hình 2.4: quá trình chuyển hóa năng lượng
Trong đó: Bài toán điều khiển tập trung chủ yếu tại phần lò hơi và bao hơi.
* Lò hơi - Hệ điều khiển lò hơi a Lò hơi:
Cấu tạo chung của lò hơi được thiết kế để thực hiện hai nhiệm vụ chính: chuyển hóa năng lượng từ nhiên liệu thành nhiệt năng của sản phẩm cháy, và cung cấp nước vào lò để tiếp nhận nhiệt, biến thành nước nóng, nước sôi, hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt với áp suất và nhiệt độ đáp ứng yêu cầu sử dụng Các hệ thống chính trong cấu tạo của lò hơi bao gồm các thành phần cần thiết để thực hiện hiệu quả các chức năng này.
Hệ thống cung cấp và đốt cháy nhiên liệu
Hệ thống cung cấp không khí và thải sản phẩm cháy
Hệ thống xử lý nước và cấp nước làm mát
Hệ thống sản xuất và cấp nước nóng cho quá trình sinh hơi
Hệ thống đo lường, điều khiển
Hệ thống lò: Khung lò, tường lò, cách nhiệt,… b Hệ điều khiển lò hơi:
Công suất phát ra của nhà máy điện không cố định mà thay đổi theo nhu cầu sử dụng điện Công suất này phụ thuộc vào lưu lượng hơi đưa tới tuabin; khi lưu lượng hơi tăng, công suất máy phát cũng tăng theo, dẫn đến sản lượng điện năng lớn hơn Do đó, khi nhu cầu về công suất điện tăng, lưu lượng hơi cần thiết cũng phải tăng, kéo theo việc tăng lượng nhiên liệu cung cấp vào lò và nước cấp vào bao hơi để đáp ứng yêu cầu về hơi.
Lò hơi là một hệ thống phức tạp với nhiều đầu vào như nhiên liệu, gió và nước cấp, và nhiều đầu ra bao gồm hơi nước bão hòa, nước thừa, khói và xỉ từ quá trình cháy Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra rất chặt chẽ; để điều chỉnh công suất máy phát điện, cần kiểm soát lượng nhiên liệu, nước cấp và gió vào lò hơi.
Hệ thống điều khiển lò hơi tại nhà máy nhiệt điện là một cấu trúc phức tạp, chịu trách nhiệm giám sát và điều chỉnh hàng trăm tham số khác nhau Với nhiều mạch vòng điều khiển, hệ thống này đảm bảo hoạt động hiệu quả và an toàn cho quá trình sản xuất năng lượng.
Hình 2.5 : Cấu trúc điều khiển lò hơi
* Bao hơi - Hệ điều khiển bao hơi a Bao hơi:
Hơi nước là nguồn năng lượng nhiệt được chuyển hóa thành cơ năng khi dẫn đến tuabin Bao hơi là thiết bị thu gom hơi nước và chuyển tiếp đến tuabin để thực hiện quá trình này.
Nước từ bao hơi được dẫn xuống quanh lò qua các ống dẫn, với bao hơi đặt ở vị trí cao nhất Buồng đốt bao gồm các dàn ống sinh hơi, nơi nước được đốt nóng trực tiếp bởi ngọn lửa trong lò, khiến nước sôi và sinh ra hơi Hơi nước từ các dàn ống sinh hơi tập trung vào các ống góp ở hai bên sườn trần lò, sau đó đi vào bao hơi qua các đường ống lên Tại bao hơi, hơi nước sẽ được lọc để loại bỏ phần nước, sau đó được đưa vào bộ quá nhiệt để khử ẩm và đảm bảo chất lượng hơi trước khi vào tuabin.
Hơi nước đóng vai trò quan trọng trong việc truyền năng lượng, vì vậy để tối ưu hóa hiệu suất biến đổi năng lượng, cần chú ý đến các thông số cơ bản như lưu lượng hơi, nhiệt độ hơi và áp suất sinh hơi.
Lưu lượng hơi là yếu tố quan trọng thay đổi theo phụ tải, ảnh hưởng trực tiếp đến công suất của tuabin và máy phát điện Khi lưu lượng hơi vào tuabin tăng, công suất sinh ra cũng tăng theo, và ngược lại Mỗi mức công suất điện cần một lưu lượng hơi cụ thể để hoạt động hiệu quả Để điều chỉnh lưu lượng hơi, cần điều chỉnh nhiên liệu đầu vào cho quá trình cháy trong lò hơi và van tuabin Việc điều chỉnh nhiên liệu cũng yêu cầu điều chỉnh bộ điều khiển không khí để đạt hiệu suất kinh tế tối ưu Hệ thống điều chỉnh phụ tải nhiệt giúp duy trì ổn định sản lượng hơi theo yêu cầu.
Lưu lượng hơi có thể thay đổi so với giá trị yêu cầu do nhiều nguyên nhân như độ ẩm và nhiệt trị của nhiên liệu, nhiệt độ nước cấp, và sự biến động của nhiên liệu Những thay đổi này ảnh hưởng đến bộ điều chỉnh nhiên liệu, giúp điều chỉnh lượng nhiên liệu nhằm duy trì lưu lượng hơi ổn định theo yêu cầu.
Nhiệt độ hơi quá nhiệt là một thông số quan trọng cần được duy trì ổn định ở mọi mức tải, nhằm tiết kiệm năng lượng và tránh hư hại cho đường ống do sự dao động nhiệt Việc giữ nhiệt độ hơi ở mức cố định không chỉ giúp giảm thiểu tổn thất nhiệt năng do trao đổi nhiệt giữa hơi và đường ống dẫn mà còn khắc phục tình trạng không ổn định của hơi bão hòa, do ảnh hưởng từ sự thay đổi tải lò và biến đổi bề mặt truyền nhiệt.
Mô tả toán học cho các thành phần trong hệ thống điều khiển điều khiển mức trong lò hơi nhà máy nhiệt điện
Mô hình là công cụ mô tả khoa học, cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần xây dựng Nó phản ánh hệ thống từ một góc nhìn cụ thể, phục vụ cho mục đích sử dụng hữu ích Không chỉ giúp hiểu rõ hơn về thế giới thực, mô hình còn cho phép thực hiện nhiệm vụ phát triển mà không cần sự có mặt của hệ thống thiết bị thực Bên cạnh đó, mô hình hỗ trợ phân tích và kiểm chứng tính đúng đắn của giải pháp thiết kế một cách thuận tiện và tiết kiệm chi phí trước khi triển khai.
Mô hình có thể được phân loại thành hai loại chính: mô hình vật lý và mô hình trừu tượng Mô hình vật lý là phiên bản thu nhỏ và đơn giản hóa của hệ thống thực, được xây dựng dựa trên các nguyên tắc vật lý và hóa học tương tự như các quá trình và thiết bị trong thực tế.
Mô hình vật lý đóng vai trò quan trọng trong việc đào tạo cơ bản và nghiên cứu ứng dụng, tuy nhiên, nó không phải là công cụ lý tưởng cho các kỹ sư điều khiển quá trình trong công việc thiết kế và phát triển.
Mô hình trừu tượng được xây dựng dựa trên ngôn ngữ bậc cao, nhằm mô tả logic các quan hệ chức năng giữa các thành phần trong hệ thống Quá trình này được gọi là mô hình hoá, trong đó thế giới thực được diễn tả bằng ngôn ngữ mô hình hoá và loại bỏ các chi tiết không cần thiết Trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển, chúng ta đặc biệt chú trọng đến bốn dạng mô hình trừu tượng chính.
Mô hình đồ hoạ sử dụng các ngôn ngữ như lưu đồ công nghệ, lưu đồ P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri và biểu đồ logic để biểu diễn trực quan hệ thống Điều này giúp thể hiện cấu trúc liên kết và tương tác giữa các thành phần trong hệ thống một cách rõ ràng và dễ hiểu.
* Mô hình toán học: Với ngôn ngữ của toán học như phương trình vi phân
Mô hình bậc cao có khả năng biểu diễn mạnh nhưng khó sử dụng cho phân tích và thiết kế hệ thống Phương trình đại số, hàm truyền đạt và phương trình trạng thái được áp dụng thống nhất cho phân tích và thiết kế hệ đơn biến và đa biến Tuy nhiên, việc nhận dạng trực tiếp gặp khó khăn, nhạy cảm với sai lệch thông số và ít được sử dụng cho điều khiển quá trình Mô hình toán học là công cụ phù hợp để nghiên cứu sâu sắc các đặc tính của từng thành phần cũng như bản chất của các mối liên kết và tương tác trong hệ thống.
Mô hình suy luận là phương pháp thể hiện thông tin và đặc điểm của hệ thống thực thông qua các quy tắc suy diễn, áp dụng ngôn ngữ bậc cao.
Mô hình máy tính là các phần mềm mô phỏng đặc tính của hệ thống dựa trên những khía cạnh quan tâm Chúng được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình và dựa trên các mô hình toán học hoặc mô hình suy luận.
Mô hình toán học, mô hình suy luận và mô hình máy tính thuộc mô hình định lượng, trong khi mô hình đồ hoạ thuộc mô hình định tính Mô hình định tính tập trung vào cấu trúc và mối liên quan giữa các thành phần hệ thống, trong khi mô hình định lượng cho phép thực hiện các phép tính để làm rõ mối quan hệ định lượng giữa các đại lượng trong hệ thống và mối tương tác với môi trường bên ngoài.
Các mô hình toán học đóng vai trò then chốt trong lĩnh vực điều khiển quá trình, hỗ trợ các cán bộ công nghệ và cán bộ điều khiển trong nhiều nhiệm vụ quan trọng Mặc dù có bốn dạng mô hình khác nhau, nhưng mô hình toán học vẫn là công cụ thiết yếu giúp tối ưu hóa và phát triển quy trình điều khiển hiệu quả.
- Hiểu rõ hơn về quá trình sẽ cần phải điều khiển và vậnhành.
- Tối ưu hoá thiết kế công nghệ và điều kiện vận hành hệthống.
- Thiết kế sách lược và cấu trúc điềukhiển.
- Lựa chọn bộ điều khiển và xác định các tham số cho bộ điềukhiển.
- Phân tích và kiểm chứng các kết quả thiếtkế.
- Mô phỏng trên máy tính phục vụ đào tạo vậnhành.
Xác định rõ mục đích sử dụng mô hình là điều cần thiết, vì nó ảnh hưởng đến việc lựa chọn phương pháp mô hình hóa, cũng như mức độ chi tiết và độ chính xác của mô hình.
2.2.2.Cấu trúc tổng quát một hệ điều khiển quá trình
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình được minh họa như hình 2.6:
Hình 2.6: Sơ đồ khối một vòng của hệ thống điều khiển quá trình
2.2.3: Thiết bị đo a,Cấu trúc cơ bản:
Thiết bị đo quá trình đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin về sự diễn biến của các quá trình kỹ thuật, với đầu ra là tín hiệu chuẩn Cấu trúc cơ bản của thiết bị này được minh họa trong hình 2.2.
Hình 2.7:Cấu trúc cơ bản của một thiết bị đo quá trình
Cảm biến là thành phần cốt lõi của thiết bị đo, có chức năng chuyển đổi các đại lượng vật lý như nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng và nồng độ thành tín hiệu điện hoặc khí nén Một cảm biến có thể bao gồm nhiều phần tử cảm biến, mỗi phần tử chuyển đổi đại lượng này sang đại lượng khác dễ xử lý hơn Tín hiệu ra từ cảm biến thường rất nhỏ và dễ bị sai số do nhiễu hoặc độ nhạy kém, vì vậy cần có các khâu khuếch đại, lọc nhiễu, điều chỉnh phạm vi, bù sai lệch và tuyến tính hoá Những chức năng này được thực hiện bởi bộ chuyển đổi đo chuẩn, đóng vai trò điều hoà tín hiệu, nhận tín hiệu đầu vào từ cảm biến và cung cấp tín hiệu chuẩn để truyền xa và phù hợp với bộ điều khiển Nhiều bộ chuyển đổi đo chuẩn hiện nay còn tích hợp cả phần tử cảm biến, do đó khái niệm 'Transmitter' cũng được sử dụng để chỉ các thiết bị đo.
Chất lượng và khả năng ứng dụng của thiết bị đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chủ yếu là các đặc tính của thiết bị Đặc tính vận hành liên quan đến khả năng đo và ảnh hưởng của môi trường, trong khi đặc tính tĩnh thể hiện mối quan hệ giữa đại lượng đầu vào và giá trị tín hiệu đầu ra trong trạng thái ổn định Đặc tính động học mô tả sự thay đổi của đầu vào và tín hiệu ra theo thời gian Đặc tính tĩnh cũng ảnh hưởng đến độ chính xác khi giá trị đại lượng đo không thay đổi hoặc thay đổi rất chậm.
Ngược lại, đặc tính động học liên quan tới khả năng phản ứng của thiết bị đo khi đại lượng đo thay đổi nhanh. b Đặc tínhđộng
Khi giá trị đại lượng đo ổn định hoặc thay đổi chậm, tín hiệu đo chủ yếu phụ thuộc vào giá trị đầu vào, do đó, chúng ta chỉ cần tập trung vào đặc tính tĩnh của thiết bị đo.
Thiết kế bộ điều khiển PID
2.3.1 Mô hình toán học của đối tượng công nghệ a Sơ đồ cấu trúc của bộ điều chỉnh mức
Bộ điều chỉnh có nhiệm vụ duy trì mức nước ở mức ổn định thông qua sự cân bằng giữa lượng nước cấp vào và hơi ra khỏi lò
Sơ đồ cấu trúc của bộ điều chỉnh mức lò hơi
Hình 2.15: Sơ đồ khối bộ điều chỉnh mức lò hơi. b Xác định hàm truyền đạt của các phần tử trong các sơ đồ cầu trúc
Từ sơ đồ khối bộ điều chỉnh mức lò hơi ta có sơ đồ cấu trúc như sau:
Hình 2.16: Sơ đồ cấu trúc bộ điều chỉnh mức lò hơi.
Tín hiệu phản hồi đưa vào bộ điều chỉnh gồm:
+ Phản hồi mức nước + Phản hồi lưu lượng nước cấp
W6 lohoi lò hơi c) Hàm truyền đạt của khâu truyền động điện W 3
Hệ thống truyền động điện của bộ điều chỉnh cấp nước lò hơi sử dụng động cơ một chiều với công suất 1KW và điện áp định mức 220V Đầu vào của hệ thống là điện áp, trong khi đầu ra thể hiện vận tốc góc của động cơ.
Hệ thống điều chỉnh mức nước cho lò hơi được thiết kế với khả năng đảo chiều và yêu cầu công nghệ cụ thể Theo các tài liệu [10, 11], các thông số kỹ thuật của hàm truyền đạt được xác định với T1 = 0,2 và T1 = 0,25 Đặc biệt, hàm truyền đạt của khâu tích phân đóng vai trò quan trọng trong quá trình điều khiển.
Do tín hiệu vào của van là vận tốc góc, trong khi tín hiệu ra của khâu truyền động điện là tốc độ, nên cần thêm khâu tích phân Hàm truyền đạt của khâu tích phân có dạng như sau:
s e) Hàm truyền đạt của van
Tín hiệu vào của hệ thống là vận tốc góc, trong khi tín hiệu ra thể hiện lưu lượng nước Mối quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào của van được mô tả như một khâu quán tính bậc nhất Hàm truyền của hệ thống có dạng cụ thể.
Trong đó: k5 = 0,5: là hệ số khuếch đại của van.
f) Hàm truyền đạt của lò hơi
Tín hiệu vào của lò hơi là lưu lượng nước, trong khi tín hiệu ra là lưu lượng hơi Mối quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào thể hiện một quá trình quán tính bậc nhất có độ trễ Do đó, hàm truyền của hệ thống có dạng: 6 6.
Trong đó: k6 = 15: là hệ số khuếch đại của Balong.
T6 : là hằng số thời gian ; = 6
g) Hàm truyền đạt của cảm biến đo lưu lượng nước
Bộ cảm biến đo lưu lượng nước có tín hiệu vào là lưu lượng nước, trong khi tín hiệu ra là dòng một chiều từ 0 đến 5 mA Do đó, hàm truyền đạt của cảm biến này được xác định là khâu tỷ lệ.
Trong đó: Imax = 5mA: là dòng đầu ra lớn nhất của cảm biến.
Q max = 63 cm 3 /s là lưu lượng lớn nhất của cảm biến.
f) Hàm truyền đạt của bộ cảm biến đo mức nước
Cảm biến đo mức nước cung cấp tín hiệu vào tương ứng với mức nước, trong khi tín hiệu ra là dòng điện một chiều từ 0 đến 5mA Hàm truyền đạt của cảm biến này được thiết kế theo khâu tỷ lệ.
Trong đó: I max = 5mA: là dòng đầu ra lớn nhất của cảm biến.
H max = 630 cm: là mức nước lớn nhất của cảm biến.
2.3.2 Thiết kế bộ điều khiển kinh điển cho mạch vòng trong
* Sơ đồ mạch vòng trong như sau:
Dùng tiêu chuẩn đối xứng để thiết kế mạch vòng điều khiển lưu lượng nước.
Ta coi đối tượng có 2 hằng số thời gian lớn nên bộ điều khiển là PID có dạng
T i h/ số thời gian tích phân.
Td=8Tb = 8*0.25 = 2 hằng số thời gian vi phân.
Bằng tính toán ta xác định được các hệ số của bộ điều khiển PID như sau:
2.3.3 Thiết kế bộ điều khiển cho mạch vòng ngoài
Hình 2.17: Sơ đồ mạch vòng điểu khiển lưu lượng nước
Hình 2.18: Sơ đồ mạch vòng điểu khiển mức nước.
Tiến hành xấp xỉ mạch vòng trong trên miền tần số thấp ta có:
Và ta tiến hành xấp xỉ hằng số trễ như sau:
Như vậy đối tượng của hàm truyền ngoài có dạng như sau:
Đối tượng có 1 hằng số thời gian lớn nên bộ điều khiển là PI có dạng:
Ti = 2KTb = 2K(Tb1+Tb2)=2*1.4931*(0.5+6) = 19.4103 Vậy:
Kết quả mô phỏng mạch vòng ngoài :
2.3.4 Đánh giá chất lượng hệ thống bằng thựcnghiệm a Cấu hình thực nghiệm về điều khiển mức tại trung tâm thí nghiệm:
Hình 2.20: Giao diện kết quả thí nghiệm điều khiển mức nước lò hơi b.Các kết quả thực nghiệm thực nghiệm:
