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 toàn thế giới và tại Việt Nam đang được xây dựng và hiện đại hóa liên tục về kỹ thuật và công nghệ Mục tiêu chính là tối ưu hóa công suất hoạt động 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 cơ bản.
- 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, 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 trở lại.
+ Với nhà máy nhiệt điện tuabin khí:
Không khí ngoài trời được làm sạch và loại bỏ hơi nước, sau đó được đưa vào máy nén khí để nâng áp suất Khí có áp suất cao sẽ được chuyển vào buồng đốt và kết hợp với nhiên liệu, thường là khí gas, để đốt cháy Sau khi đốt, chất khí với nhiệt độ và áp suất cao sẽ được dẫn vào các tầng tuabin khí để sinh công Tuabin quay sẽ làm quay máy phát điện, từ đó tạo ra năng lượng điện.
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 bởi hơi nước từ tuabin Sau đó, nước được đưa lên bình khử khí để loại bỏ bọt khí, ngăn ngừa 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 khi gia nhiệt, nước vào bộ hâm nước ở đuôi lò và chảy theo vòng tuần hoàn tự nhiên, nhận nhiệt từ buồng đốt để biến thành hơi nước Hơi bão hòa ẩm trong bao hơi không được đưa ngay vào tuabin mà qua các bộ sấy hơi để trở thành hơi quá nhiệt Tại tuabin, động năng của hơi được chuyển thành cơ năng quay trục hệ thống Tuabin-Máy phát, trong khi hơi sau khi sinh công sẽ ngưng tụ thành nước ở bình ngưng tụ Như vậy, nhiệt năng của nhiên liệu được chuyển đổi thành cơ năng và điện năng, với hơi nước là môi chất trung gian trong vòng tuần hoàn kín.
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 trình độ cơ khí hóa và tự động hóa cao Thiết bị này hoạt động hiệu quả và đảm bảo, đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất điện năng Các nhiệm vụ chính của lò hơi bao gồm cung cấp nhiệt cho quá trình biến nước thành hơi, hỗ trợ trong việc phát điện và duy trì hiệu suất hoạt động của nhà máy.
-Chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu hữu cơ như than đá, dầu mỏ, khí đốt… thành điện năng.
Truyền nhiệt năng là quá trình cung cấp nhiệt cho môi chất tải nhiệt, giúp nâng cao nhiệt độ của chúng từ trạng thái lỏng ở nhiệt độ thông thường lên mức cao hơn hoặc đến nhiệt độ sôi, từ đó biến đổi 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 (với Pth = 221 [at]) và lò trực lưu.
Trong lò hơi, 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 thực hiện quá trình tuần hoàn tự nhiên nhiều lần, 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, dẫn đến nước chỉ được tuần hoàn một lần Nước được bơm qua bộ hâm nước, tiếp nhận nhiệt từ luồng lửa và chuyển động đến phần đối lưu Tại đây, nước hoàn toàn hóa hơi thành hơi bão hòa khô trước khi đi vào bộ quá nhiệt.
Quá trình thu được hơi nước từ hai loại lò bao gồm ba giai đoạn vật lý: đun nước đến nhiệt độ sôi, nước sôi hoàn toàn để chuyển từ pha lỏng sang hơi bão hòa khô, và sau đó là quá trình quá nhiệt đến nhiệt độ mong muốn Nhiệt độ sôi t S, nhiệt lượng cần thiết để đun 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 thể hiện trong bảng 1.1.
(bar) P t S ( 0 C) i’ (kJ/kg) i” (kJ/kg) r
Khi áp suất sinh hơi tăng lên, nhiệt độ sôi cũng tăng theo, trong khi nhiệt lượng sinh hơi lại giảm Ở áp suất tới hạn 225,7 ata (221,29 bar) và nhiệt độ sôi 374,15°C, nhiệt lượng sinh hơi đạt giá trị bằng 0 do 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 chịu ảnh hưởng bởi tính chất vật lý của môi trường và môi 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
Bảng 1.2 hiệu Ký Tên bộ phận Ký hiệu Tên bộ phận
1 Buồng đốt nhiên liệu 12 Quạt gió
3 Bộ hâm nóng nước 14 thanBộ sấy không khí
4 Đường ống dẫn nước vào bao hơi (balông) 15 Vòi phun nhiên liệu
6 Dàn ống nước xuống 17 Đường khói
7 Dàn ống dẫn nước lên 18 thảiBộ khử bụi
8 Dãy Pheston cùng với bao hơi khói tạo thành vòng tuần hoàn tự nhiên của nước và hơi
9 Đường ống dẫn hơi bão hoà tới bộ quá nhiệt 20 Ống khói
10 Bộ quá nhiệt 21 Phễu đựng tro
11 Van hơi chính đặt trên đường ống bay 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 liệt kê 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 toàn bộ quy trình hoạt động của nhà máy Mỗi thay đổi trong một khâu của nhà máy sẽ ảnh hưởng đến chế độ vận hành của lò hơi, yêu cầu các thao tác điều khiển phù hợp để đảm bảo hiệu suất và an toàn.
Nghiên cứu về hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện
Trong quá trình vận hành lò hơi, mức nước bao hơi thường xuyên thay đổi, yêu cầu người vận hành phải điều chỉnh kịp thời để duy trì mức nước ổn định trong giới hạn cho phép Tuy nhiên, do có nhiều thông số cần theo dõi, việc điều chỉnh mức nước không thể thực hiện liên tục Do đó, tự động điều chỉnh mức nước bao hơi trở thành một yếu tố quan trọng trong các hệ thống điều chỉnh tự động của lò hơi Bộ điều chỉnh có nhiệm vụ ổn định mức nước bằng cách đảm bảo sự cân bằng giữa lượng hơi sản xuất và lượng nước cấp vào bao hơi Vòng điều khiển này duy trì mức nước tại giá trị mong muốn khi tải của lò thay đổi, thông qua việc điều chỉnh lưu lượng nước cấp, phụ thuộc vào độ mở của van cấp nước và áp lực của nước cấp, thường được điều chỉnh bởi tốc độ của bơm cấp Lưu lượng nước cấp được điều chỉnh bởi hai van điều chỉnh và tốc độ bơm được điều chỉnh để duy trì chênh áp đầu vào của các van này.
1.3.2.Mục tiêu của nghiên cứu
Thiết kế sách lược điều khiển phản hồi sử dụng bộ điều khiển mờ để chỉnh định tham số PID cho mức chất lỏng trong bình chứa nhằm đảm bảo cột áp ổn định cho lò hơi của nhà máy nhiệt điện Bình chứa chất lỏng đóng vai trò trung gian giúp giảm thiểu tương tác và nhiễm, với mục tiêu duy trì hệ thống vận hành ổn định, trơn tru và an toàn Do đó, giá trị mức trong bình chứa cần được khống chế trong một phạm vi an toàn, trong khi với vai trò là bình chứa quá trình, giá trị mức cần được duy trì chính xác tại một giá trị đặt.
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 kết quả bằng phần mềm Matlab – Simulink nhằm xác nhận tính chính xác của các phép tính lý thuyết Cuối cùng, thực hiện thí nghiệm trên mô hình điều khiển quá trình tại trung tâm thí nghiệm của trường.
Kết luận chương 1
Bài viết này tập trung vào việc 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 quản lý hoạt động của lò hơi Công nghệ 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 trong nhà máy nhiệt điện được thiết kế để mô phỏng các quy trình cơ bản, giúp sinh viên hiểu rõ hơn về hoạt động của nhà máy Thông qua mô hình, sinh viên có cái nhìn tổng quan về các quy trình công nghiệp và các thiết bị đo lường, 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 không chỉ phổ biến mà còn rất quan trọng trong ngành công nghiệp, mang đến cho sinh viên cái nhìn thực tế về công nghệ và quy trình vận hành trong nhà máy nhiệt điện.
Sinh viên sẽ phân tích các bài toán thực tế từ nhà máy nhiệt điện để đưa ra giải pháp điều khiển hiệu quả cho các đối tượng trong quá trình hoạt động Việc áp dụng các bài toán điều khiển đã học vào thực tế giúp nâng cao khả năng giải quyết vấn đề và tối ưu hóa quy trình vận hành 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 bộ phần mềm lập trình và thiết kế hệ giám sát quá trình của hãng ABB, một công cụ phổ biến trong ngành công nghiệp Qua đó, sinh viên có cơ hội học hỏi các kỹ năng cơ bản và ứng dụng thực tế của phần mềm này khi bước vào thị trường lao động.
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 việc đốt cháy nhiên liệu trong lò hơi thành cơ năng quay tuabin, sau đó chuyển đổi cơ năng này thành năng lượng điện trong máy phát điện Hơi nước được sử dụng làm môi trường dẫn nhiệt năng đến tuabin, và cần đảm bảo chất lượng như áp suất và độ khô trước khi vào tuabin để tạo ra công Mức độ nhiệt năng cung cấp tỷ lệ thuận với lượng điện năng phát ra Cuối cùng, điện áp tại đầu cực 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 bắt đầu từ năng lượng hoá năng trong nhiên liệu, được chuyển thành nhiệt năng thông qua quá trình đốt cháy Nhiệt năng này sau đó được sử dụng để tạo ra hơi bão hoà, là phương tiện truyền nhiệt từ lò đến tuabin Tại tuabin, nhiệt năng được biến đổi thành cơ năng, và cuối cùng, cơ năng này được chuyển hoá thành điện năng Mô hình chuyển hoá năng lượng này thể hiện rõ quy trình sản xuất điện từ nhiên liệu.
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 bao gồm 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, hoặc hơi với áp suất và nhiệt độ phù hợp Các hệ thống chính trong cấu tạo của lò hơi đóng vai trò quan trọng trong quá trình 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 tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng điện Khi lưu lượng hơi vào tuabin tăng lên, công suất của máy phát cũng tăng theo, dẫn đến sản lượng điện năng lớn hơn Để đáp ứng yêu cầu công suất điện tăng, lưu lượng hơi cung cấp phải được điều chỉnh tăng lên, do đó lượng nhiên liệu đưa vào lò cũng cần phải tăng theo Đồng thời, nước cấp vào bao hơi cũng phải gia tăng để đảm bảo cung cấp đủ lượng hơi cần thiết.
Lò hơi là một hệ thống phức tạp với nhiều đầu vào và đầu ra, trong đó đầu vào bao gồm nhiên liệu, gió và nước cấp, trong khi đầu ra chủ yếu là hơi nước bão hòa, nước thừa, khói và xỉ từ quá trình cháy Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra là rất chặt chẽ; khi có sự thay đổi trong yêu cầu đầu ra, như công suất máy phát điện, cần phải điều chỉnh tương ứng các thành phần đầu vào như nhiên liệu, nước cấp và gió.
Hệ thống điều khiển lò hơi trong nhà máy nhiệt điện là một hệ thống phức tạp, có nhiệm vụ giám sát và điều chỉnh hàng trăm tham số khác nhau Với cấu trúc phức tạp và 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 dẫn đến tuabin để chuyển hóa thành cơ năng Bao hơi là thiết bị dùng để thu thập hơi nước và chuyển giao đến tuabin.
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, được đốt nóng trực tiếp bởi ngọn lửa trong lò, khiến nước trong các dàn ống này sôi và tạo thành hơi Hơi nước từ các dàn ống sinh hơi sẽ tập trung vào các ống góp ở hai bên sườn trần lò Từ các ống góp, hỗn hợp hơi nước sẽ được chuyển vào bao hơi qua các đường ống lên Trước khi vào bao hơi, hơi nước sẽ đi qua máy lọc hơi để loại bỏ phần nước, sau đó được đưa vào bộ quá nhiệt để khử ẩm và đảm bảo chất lượng hơi trước khi bắn 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 trong việc điều chỉnh công suất của tuabin, với lưu lượng hơi vào tuabin tăng lên sẽ tạo ra công suất máy phát lớn hơn Mỗi mức công suất điện cần một lưu lượng hơi tương ứng, do đó việc điều chỉnh lưu lượng hơi thông qua nhiên liệu đầu vào và van tuabin là cần thiết Khi điều chỉnh nhiên liệu, cần đồng thời điều chỉnh bộ điều khiển không khí để đạt hiệu quả kinh tế tối ưu Hệ thống điều chỉnh phụ tải nhiệt giúp duy trì sản lượng hơi ổn định theo yêu cầu.
Lưu lượng hơi có thể thay đổi so với giá trị yêu cầu do nhiều yếu tố như độ ẩm và nhiệt trị của nhiên liệu, nhiệt độ nước cấp, và sự biến động của nhiên liệu Những thay đổi này sẽ kích thích bộ điều chỉnh nhiên liệu điều chỉnh lượng nhiên liệu, nhằm duy trì ổn định lưu lượng hơi theo yêu cầu.
Nhiệt độ hơi quá nhiệt là một thông số quan trọng cần được duy trì ổn định ở mọi mức tải Việc giữ nhiệt độ hơi ở mức cố định không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn ngăn ngừa hư hại cho đường ống do sự dao động nhiệt Đồng thời, điều này cũng giảm thiểu tổn thất nhiệt năng do sự trao đổi nhiệt giữa hơi và đường ống dẫn Tuy nhiên, nhiệt độ hơi bão hòa thoát ra từ bao hơi có thể không ổn định do nhiều yếu tố như 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 một phương pháp mô tả khoa học, cô đọng những khía cạnh quan trọng của một hệ thống thực, có thể là có sẵn hoặc cần xây dựng Nó phản ánh hệ thống từ một góc nhìn nhất định, phục vụ cho các mục đích sử dụng cụ thể Mô hình không chỉ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về thế giới thực mà còn cho phép thực hiện các nhiệm vụ phát triển mà không cần đến sự hiện diện của hệ thống thiết bị thực Ngoài ra, mô hình còn hỗ trợ phân tích và kiểm chứng tính chính xác của các giải pháp thiết kế một cách thuận tiện và tiết kiệm trước khi triển khai.
Mô hình có thể được chia 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 thiết kế dựa trên các nguyên lý vật lý và hóa học tương tự như các quy trình và thiết bị 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 hoàn toàn phù hợp cho các hoạt động thiết kế và phát triển của kỹ sư điều khiển quá trình.
Mô hình trừu tượng được phát triển dựa trên một ngôn ngữ bậc cao để mô tả logic các mối quan hệ chức năng giữa các thành phần trong hệ thống Quá trình xây dựng mô hình trừu tượng được gọi là mô hình hoá, trong đó thế giới thực được trình bày bằng ngôn ngữ mô hình hoá và các chi tiết không quan trọng sẽ bị loại bỏ Trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển, chúng ta chủ yếu tập trung vào bốn dạng mô hình trừu tượng cơ bản.
Mô hình đồ họa, bao gồm các ngôn ngữ như lưu đồ công nghệ, lưu đồ P&ID, sơ đồ khối, mạng Petri và biểu đồ logic, là công cụ hữu ích để biểu diễn trực quan cấu trúc liên kết và tương tác giữa các thành phần trong một hệ thống.
* 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 thiết kế hệ thống, bao gồm các phương trình đại số, hàm truyền đạt và phương trình trạng thái Việc áp dụng thống nhất cho phân tích và thiết kế hệ đơn biến và đa biến gặp nhiều khó khăn, đặc biệt trong việc nhận dạng trực tiếp do nhạy cảm với sai lệch thông số, nên ít được sử dụng cho điều khiển quá trình Mô hình toán học rất thích hợp cho việc nghiên cứu sâu sắc các đặc tính của từng thành phần cũng như bản chất của các mối liên kết và tương tác.
Mô hình suy luận là một cách thức biểu diễn thông tin và đặc tính của hệ thống thực thông qua các luật suy diễn, sử 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 Những mô hình này được xây dựng bằng các ngôn ngữ lập trình và sử dụng các mô hình toán học hoặc mô hình suy luận để thể hiện.
Mô hình toán học, mô hình suy luận và mô hình máy tính thuộc loại mô hình định lượng, trong khi mô hình đồ họa được xếp vào mô hình định tính Mô hình định tính tập trung vào cấu trúc và mối quan hệ giữa các thành phần của hệ thống, còn mô hình định lượng cho phép thực hiện các phép tính để làm rõ hơn mối quan hệ định lượng giữa các đại lượng trong hệ thống và sự tương tác của hệ thống với môi trường bên ngoài.
Các mô hình toán học đóng vai trò then chốt trong lĩnh vực điều khiển quá trình, hỗ trợ cán bộ công nghệ và cán bộ điều khiển trong nhiều nhiệm vụ phát triển quan trọng.
- 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 mục đích sử dụng mô hình là rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng đến việc lựa chọn phương pháp mô hình hóa cũng như độ chi tiết và 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 có vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin về 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 Mỗi cảm biến có thể bao gồm nhiều phần tử, với mỗi phần tử hoạt động như một bộ chuyển đổi giúp xử lý dễ dàng hơn Tín hiệu đầu ra từ cảm biến thường rất nhỏ và dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu, do đó cần có các khâu khuếch đại, lọc nhiễu, điều chỉnh phạm vi, bù sai lệch và tuyến tính hóa Những chức năng này được thực hiện bởi bộ chuyển đổi đo chuẩn, đóng vai trò điều hòa tín hiệu, nhận tín hiệu từ cảm biến và cung cấp đầu ra chuẩn để truyền xa và tương thích với bộ điều khiển Nhiều bộ chuyển đổi đo chuẩn hiện nay tích hợp cả phần tử cảm biến, dẫn đến việc 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, được khái quát thành các đặc tính của thiết bị, bao gồm đặc tính vận hành, đặc tính tĩnh và đặc tính động học Đặc tính vận hành liên quan đến khả năng đo và tác động của môi trường, trong khi đặc tính tĩnh thể hiện mối quan hệ giữa đại lượng đầu vào và tín hiệu đầu ra trong trạng thái xác lập Đặc tính động học mô tả sự thay đổi của tín hiệu ra theo thời gian khi đầu vào biến thiên Đặc tính tĩnh cũng liên quan đến độ chính xác của thiết bị 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 thay đổi chậm, tín hiệu đo chủ yếu phụ thuộc vào giá trị đầu vào, do đó ta chỉ cần chú ý đến đặc tính tĩnh của thiết bị đo Tuy nhiên, tín hiệu đầu ra không phản ứng ngay lập tức với sự thay đổi nhanh chóng của đại lượng đo, và mối quan hệ giữa tín hiệu đầu ra, đại lượng đo và biến thời gian được gọi là đặc tính động học Đặc tính động học của hầu hết thiết bị đo có thể được mô tả bằng phương trình vi phân cấp một hoặc cấp hai, với giả định rằng đặc tính của thiết bị đo là tuyến tính, cho phép động học được biểu diễn bằng một khâu quán tính bậc nhất.
Hoặc một khâu ổn định:
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 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 là vận tốc góc.
Hệ thống điều chỉnh mức nước cho lò hơi được thiết kế với khả năng đảo chiều, đáp ứng yêu cầu công nghệ hiện đại Theo các tài liệu tham khảo [10, 11], các thông số kỹ thuật của hệ thống này được thể hiện qua hàm truyền đạt, với điện áp hoạt động là 220V.
15 ; T 1 = 0,2; T 1 = 0,25. d) Hàm truyền đạt khâu tích phân
Van có tín hiệu vào là vận tốc góc, trong khi tín hiệu ra từ khâu truyền động điện là tốc độ, do đó cần thêm khâu tích phân Hàm truyền đạt của khâu tích phân sẽ có dạng đặc trưng cho mối quan hệ này.
Tín hiệu vào của van 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 được mô tả như một khâu quán tính bậc nhất Hàm truyền của hệ thống có dạng đặc trưng cho sự tương tác này.
Trong đó: k5 = 0,5: là hệ số khuếch đại của van.
f) Hàm truyền đạt của lò hơi
Tín hiệu đầu vào của lò hơi là lưu lượng nước, trong khi tín hiệu đầu ra là lưu lượng hơi Mối quan hệ giữa hai tín hiệu này thể hiện một quá trình quán tính bậc nhất với độ trễ Do đó, hàm truyền của hệ thống có dạng đặc trưng cho sự tương tác này.
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 và tín hiệu ra là dòng điện một chiều từ 0 đến 5 mA, do đó hàm truyền đạt của nó được xác định là khâu tỷ lệ.
Trong đó: Imax = 5mA: là dòng đầu ra lớn nhất của cảm biến.
Qmax = 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 là mức nước và tín hiệu ra là dòng điện một chiều trong khoảng từ 0 đến 5mA 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.
Hmax = 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
Với nd=2; Tb=0.25, T1=T2=1. 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:
