ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Lê Phấn Dũng Lớp KTNL2 – K46 -1- Đồ án: Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Lê Phấn Dũng Lớp KTNL2 – K46 -2- LỜI NÓI ĐẦU Với nhu cầu nâng cao chất lượng điều khiển quá trình công nghệ, các hệ điều khiển nhiều vòng được áp dụng rộng rãi. Chất lượng điều chỉnh của hệ nhiều vòng đã đem đến kết quả rất khả quan trong điều chỉnh công nghiệp đặc biệt là trong các quá trình nhiệt, khi đối tượng điều khiển có quán tính lớn và chịu ảnh hưởng mạnh của tác động nhiễu. Từ khi kỹ thuật vi xử lý và điều khiển số ra đời người ta càng quan tâm nhiều hơn đến việc tổng hợp hệ thống điều khiển số nhiều vòng, song vì tính phức tạp của đối tượng (nhất là đối tượng nhiệt) cho nên lời giải nhận được của hệ thống không đem lại kết quả mong muốn hoặc kết quả không tối ưu do đó khi đặt tham số hệ thống người ta phần lớn dựa trên kinh nghiệm là chính. Trong bối cảnh đó quan điểm tổng hợp cấu trúc bền vững cao [1] ra đời là cơ sở lý luận để tổng hợp hệ thống điều chỉnh liên tục. Theo phương pháp này cho phép thiết kế bộ điều chỉnh có độ ổn định rất cao, sai số điều chỉnh nhỏ, quá trình quá độ đảm bảo hệ số tắt cao trong trường hợp đối tượng có sự thay đổi. Đối với bộ điều chỉnh số, chúng ta cũng có thể áp dụng được quan điểm trên, song chúng ta cần phát triển một số vấn đề cho phù hợp với đặc điểm của bộ điều khiển số. Xuất phát từ thực tế quá trình điều khiển mức nước bao hơi của nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 không tốt. Biên độ dao động lớn, thời gian điều chỉnh kéo dài nhất là khi có sự thay đổi về phụ tải. Độ quá điều chỉnh lớn dẫn đến mức nước bao hơi vượt ngoài khoảng cho phép, do đó hệ thống bảo vệ tác động có khi phải dừng cả tổ máy đem lại thiệt hại lớn về kinh tế. Mặt khác thời gian điều chỉnh kéo dài làm hư hỏng thiết bị. Một trong những nguyên nhân chính đó là quá trình hiệu chỉnh tham số điều chỉnh không tốt. Hệ thống hiệu chỉnh mức nước bao hơi ở nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 sử dụng phương pháp truyền thống mà chủ yếu sử dụng phương pháp Ziegle – Nichols có đôi chỗ sử dụng thuật toán thích nghi nhưng kết quả mức nước vẫn dao động lớn. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Lê Phấn Dũng Lớp KTNL2 – K46 -3- Trong đồ án này sẽ trình bày phương pháp phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển số mức nước trong nhà máy nhịêt điện, cụ thể chọn nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2. Phương pháp này, dựa trên quan điểm tổng hợp bền vững tối ưu chất lượng cao. Đề tài “Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện” giải quyết những vấn đề sau: - Chương 1: Tổng quan về phương pháp điều chỉnh. - Chương 2: Phương pháp hiệu chỉnh hệ thống đang làm việc. - Chương 3: Tổng hợp bộ điều chỉnh. - Chương 4: Thí nghiệm trên mô hình vật lý. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Lê Phấn Dũng Lớp KTNL2 – K46 -4- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH. 1.1. ĐIỀU CHỈNH MỨC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH. 1.1.1 Vai trò và nhiệm vụ của hệ thống tự động điều chỉnh cấp nước lò hơi. Hệ thống điều chỉnh cấp nước vào lò hơi đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ thống điều chỉnh của lò hơi. Nhiệm vụ của hệ thống tự động điều chỉnh cấp nước vào lò hơi là đảm bảo sự cân bằng vật chất giữa lưu lượng hơi ra khỏi lò hơi và lưu lượng nước cấp vào lò. Trong quá trình hoạt động của lò hơi, sự cân bằng vật chất giữa lưu lượng hơi ra khỏi lò và lưu lượng nước cấp vào lò bị phá vỡ do nhiều nguyên nhân. Một trong những nguyên nhân chính như sau: sự thay đổi lưu lượng hơi cấp vào TuaBin; sự thay đổi nước cấp vào lò; sự thay đổi áp suất bao hơi; sự thay đổi lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa, v.v…Những lý do trên dẫn đến làm thay đổi mức nước trong bao hơi. Mức nước tăng hoặc giảm quá mức quy định sẽ ảnh hưởng đến chất lượng hơi hoặc sự cố lò hơi. Khi mức nước bao hơi tăng quá mức quy định sẽ ảnh hưởng đến chất lượng hơi. Vì khi đó ảnh hưởng tới quá trình phân ly hơi trong bao hơi, các giọt ẩm sẽ theo hơi tràn sang bộ quá nhiệt, làm giảm quá trình truyền nhiệt giữa hơi và khói, dẫn đến những tầng cuối của TuaBin sẽ có độ ẩm cao sẽ làm hỏng tầng cánh TuaBin. Còn khi mức nước bao hơi thấp hơn mức yêu cầu làm mất sự tuần hoàn tự nhiên của nước trong hệ thống. Trong khi đó lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa vẫn không đổi dẫn đến có thể làm biến dạng hoặc phình nổ các ống sinh hơi. Chính vì vậy, hệ thống điều chỉnh tự động cấp nước bao hơi có vai trò rất quan trọng trong hệ thống điều chỉnh của lò hơi. Có nhiệm vụ đảm bảo mức nước bao hơi thay đổi trong một giới hạn cho phép hay nói cách khác là đảm bảo sự cân bằng vật chất giữa lưu lượng hơi ra khỏi lò và lưu lượng nước cấp vào lò. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Lê Phấn Dũng Lớp KTNL2 – K46 -5- 1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi mức nước bao hơi. Quá trình thay đổi mức nước trong lò có bao hơi là một quá trình rất phức tạp. Không những bị thay đổi do cân bằng vật chất bị phá vỡ (ảnh hưởng của sự thay đổi lưu lượng hơi ra khỏi lò, của sự thay đổi lưu lượng nước cấp vào lò…) mà còn bị thay đổi do ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất trong bao hơi, ảnh hưởng của hiện tượng sôi bồng…Những ảnh hưởng này lại có tác động tương hỗ lẫn nhau và làm cho quá trình thay đổi mức nước càng trở nên phức tạp. Sự ảnh hưởng đó có thể được biểu diễn bằng phương trình sau:                                       d dV d dV F 1 p ' V p " )VV( F)"'( 1 F)"'( DW d dH hbh0h nn bhbh (1.1) Trong đó: W, D: Lưu lượng nước cấp và sản lượng của lò, kg/s. V n , V h : Thể tích phần chứa nước và hơi của lò, m 3 . ’, ”: Mật độ của nước và hơi trong lò, V h0 : Thể tích hơi trong hệ thống ống lò, m 3 . V hbh : Thể tích hơi trong bao hơi, m 3 . V = V h + V n : Tổng thể tích chứa môi chất trong lò, m 3 . F bh : Diện tích mặt bốc hơi trong bao hơi, m 2 . Thành phần thứ nhất vế phải phương trình (1.1) thể hiện ảnh hưởng của việc phá huỷ cân bằng vật chất; thành phần thứ hai là ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất còn thành phần thứ ba kể đến ảnh hưởng của sôi bồng mức nước. Phương trình (1.1) còn có thể viết dưới dạng sau:    d dV . F 1 DaWaQa d dH 0h bh 321 (1.2) Trong đó:              p " )VV( p ' V QT)"'(F 1 a nn bh 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Lê Phấn Dũng Lớp KTNL2 – K46 -6-                                      p t CG p ' )i"i( p "i 'VV p ' i p 'i 'V QT)"'(F 1 a kl klklncnn bh 2 p t CG p "i ")VV( p ' r p 'i 'V QT)"'(F 1 a kl klklnn bh 3                             Q: Lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa, J. Hoặc công thức (1.2) cũng có thể biểu diễn dưới dạng sau:                d dp . p V d dD . D V F 1 DaWaQa d dH 0h0h bh 321 (1.3) Những ảnh hưởng cụ thể của các yếu tố tới mức nước bao hơi sẽ được trình bày dưới đây: 1.1.2.1. Ảnh hưởng của sự thay đổi lưu lượng nước cấp vào lò. Từ phương trình (1.2) ta thấy, khi thay đổi lưu lượng nước cấp vào lò nhưng vẫn không thay đổi lượng nhiệt sinh ra trong lò thì lưu lượng hơi ra khỏi lò không thay đổi và các thông số của nó cũng không thay đổi mà chỉ thay đổi mức nước trong bao hơi. Khi lưu lượng nước cấp vào lò tăng thì mức nước trong bao hơi tăng và ngược lại, khi lưu lượng nước cấp vào lò giảm thì mức nước trong bao hơi giảm. Về lý thuyết thì quan hệ này là tuyến tính nhưng thực tế do ảnh hưởng của chiều dài đường ống từ van điều chỉnh tới bao hơi nên bị chậm trễ một khoảng thời gian  nào đó và đặc điểm của đối tượng nhiệt là quán tính lớn nên đặc tính động của lò hơi khi đại lượng điều chỉnh là mức nước thường là một khâu tích phân quán tính có trễ. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Lê Phấn Dũng Lớp KTNL2 – K46 -7- 1.1.2.2. Ảnh hưởng của lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa. Sự thay đổi lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa trong điều kiện lưu lượng nước cấp vào lò không thay đổi cũng làm thay đổi mức nước trong bao hơi. Thực vậy theo phương trình (1.2):    d dV . F 1 DaWaQa d dH 0h bh 321 Ta thấy, khi lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa tăng lên thì mức nước trong bao hơi tăng lên do khi lượng nhiệt sinh ra trong buồng lửa tăng trong khi đó áp suất lò vẫn không thay đổi tương ứng nhiệt độ bão hoà của nước không thay đổi đẫn đến lượng hơi sinh ra trong hệ thống tăng lên, dẫn đến việc tách tương ứng một lượng nước đưa vào bao hơi dẫn tới mức nước bao hơi tăng. Mặt khác theo phương trình tốc độ thay đổi áp suất: kl5h4n3 2nchh1 GVV DQD).i( d dp          (1.4) Ta lại thấy khi Q tăng thì áp suất bao hơi sẽ tăng, để áp suất bao hơi không đổi thì sản lượng hơi ra khỏi lò phải tăng (tức D tăng). Ta lại thấy khi D tăng trong điều kiện lưu lượng nước cấp vào lò không đổi dẫn đến cân bằng vật chất bị phá vỡ làm giảm mức nước bao hơi. Như vậy, khi lượng sinh ra trong lò thay đổi đột ngột trong điều kiện giữ lưu lượng nước cấp không thay đổi thì nó ảnh hưởng tới thành phần sôi bồng làm tăng mức nước đồng thời chúng lại ảnh hưởng tới sự phá vỡ cân bằng vật chất làm giảm mức nước. Người ta chứng minh được rằng, ảnh hưởng tổng hợp của hai hiện tượng như sau: lúc đầu mức nước tăng (khoảng 30 giây) sau đó giảm dần. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Lê Phấn Dũng Lớp KTNL2 – K46 -8- 1.1.2.3. Ảnh hưởng của sự thay đổi áp suất. Khi áp suất thay đổi thì mức nước bao hơi cũng thay đổi theo. Từ phương trình (1.2) ta thấy rằng: khi áp suất bao hơi tăng lên thì mức nước bao hơi giảm, vì khi áp suất bao hơi tăng thì đồng thời nhiệt độ nước bão hoà trong lò tăng trong khi đó nhiệt lượng sinh ra trong buồng lửa vẫn không thay đổi dẫn đến lượng hơi sinh ra trong hệ thống giảm, điều này dẫn đến mức nước trong bao hơi sẽ giảm. Còn khi áp suất bao hơi giảm thì hiện tượng xảy ra nguợc lại làm cho mức nước bao hơi tăng lên. Khi áp suất thay đổi thì không những ngoài chính bản thân nó làm thay đổi mức nước nó còn gây ra hiện tượng sôi bồng làm thay đổi mức nước. 1.1.2.4. Ảnh hưởng của sự thay đổi lưu lượng hơi ra khỏi lò. Khi thay đổi sản lượng hơi ra khỏi lò tốc độ quy dẫn của hơi và tốc độ tuần hoàn trong vòng tuần hoàn ( 0 ”, 0 ) sẽ thay đổi dẫn đến ảnh hưởng tới chế độ tuần hoàn của môi chất trong hệ thống lò. Theo phương trình (1.4) ta thấy: khi tăng đột ngột sản lượng hơi ra khỏi lò áp suất bao hơi sẽ giảm, điều này dẫn đến xảy ra hiện tượng sôi bồng làm tăng mức nước bao hơi. Mặt khác theo phương trình (1.2) thì khi tăng sản lượng hơi ra khỏi lò lại làm cân bằng vật chất bị phá huỷ về phía sản lượng hơi. Do đó làm giảm mức nước. Đặc tính động của lò hơi khi sản lượng hơi thay đổi đột ngột được biểu diễn như hình 1.1 sau: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Lê Phấn Dũng Lớp KTNL2 – K46 -9- Trong đó: H 1 - đường nước giảm; H 2 - đường sôi bồng; H 3 - đường thực tế, H 3 =H 1 +H 2 Ta thấy lúc đầu mức nước tăng do hiện tượng sôi bồng (khoảng 30 giây) sau giảm tuyến tính do ảnh hưởng của hiện tượng sôi bồng tạo mức nước giả. 1.1.3. Các sơ đồ tự động điều chỉnh mức nước bao hơi. Quá trình thay đổi mức nước trong bao hơi là một quá trình rất phức tạp. Trong thực có thể sử dụng các loại sơ đồ điều chỉnh khác nhau, tuỳ theo năng suất lò hơi cũng như yêu cầu công nghệ mà người sử dụng đặt ra. Người ta có thể chia các sơ đồ điều khiển mức nước bao hơi thành ba dạng cơ bản sau: H t D T t H 2 H 1 H 3 = H 1 +H 2 Hình 1.1: Sơ đồ biểu diễn mức trong hiện tượng sôi bồng ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Lê Phấn Dũng Lớp KTNL2 – K46 -10- 1.1.3.1. Hệ thống điều chỉnh một xung. Sơ đồ nguyên lý được thể hiện ở hình 1.2 sau: Trong đó: BH – bao hơi; BQN - bộ quá nhiệt; BĐC - bộ điều chỉnh; BHN - bộ hâm nước; Hệ thống điều chỉnh này có một tín hiệu vào bộ điều chỉnh, đó là mức nước bao hơi (H), nó phụ thuộc vào giá trị đặt và dấu của độ sai lệch mức nước bao hơi, bộ điều chỉnh sẽ thay đổi độ mở của van cấp nước để thay đổi lưu lượng nước cấp vào lò. Từ đường đặc tính tĩnh biểu diễn trên hình 1.3 cho ta thấy quan hệ giữa mức nước bao hơi với độ không đồng đều dương của phụ tải hơi D. Phụ tải hơi D tăng thì mức nước bao hơi ở trạng thái ổn định giảm. Ở hình dưới đây biểu diễn các đồ thị của quá trình quá độ quá trình điều chỉnh được xây dựng không kể đến chậm trễ trong hệ thống và sự dao động của quá trình. Quá trình điều chỉnh như sau: D H Hình 1.3. Đặc tính tĩnh hệ 1 xung H BQN Hình 1.2. Hệ thống điều chỉnh 1 xung Nước cấp Định trị BĐC BHN BH [...]... quá trình điều chỉnh có dạng như trên D H BQN D BH H BĐC Định trị Pmax Pmin BHN Nước cấp Hình 1.5 Hệ thống điều chỉnh hai xung D Hình 1.6 Đặc tính tĩnh hệ hai xung Trong đó: BH – bao hơi; BQN - bộ quá nhiệt; BĐC - bộ điều chỉnh; BHN - bộ hâm nước; Bộ điều chỉnh hai xung lượng nhận được sự thay đổi về lưu lượng nước chỉ qua sự thay đổi về mức nước trong bao hơi, vị trí mức nước trong bao hơi chủ yếu... nước cấp vào lò W Đây là bộ điều chỉnh tổng hợp có ba xung lượng đưa đến bộ điều chỉnh đó là mức nước trong bao hơi (H), lưu lượng hơi ra khỏi lò (D), lưu lượng nước cấp vào lò hơi (W) Sơ đồ này khác với sơ đồ hai tín hiệu ở chỗ nó có thêm tín hiệu lưu lượng nước cấp đưa trực tiếp vào bộ điều chỉnh, do đó khi lưu lượng nước cấp vào lò thay đổi nó sẽ truyền tới bộ điều chỉnh tác động trước khi mức nước. .. mức nước trong bao hơi ổn định Vì vậy trong các lò bao hơi nó được sử dụng rất phổ biến Lê Phấn Dũng -16- Lớp KTNL2 – K46 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC  t  t Hình 1.9 Đặc tính động của hệ thống điều chỉnh ba xung 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH HỆ THỐNG VỚI ĐỐI TƯỢNG KHÔNG CÓ TỰ CÂN BẰNG 1.2.1 Tổng hợp và thiết kế theo phương pháp thứ nhất của Ziegler– Nichols Tổng hợp hệ thống điều khiển theo phương pháp. .. thống điều chỉnh ba xung Sơ đồ nguyên lý được thể hiện ở hình 1.8 sau: D BQN D H BH Định trị BĐC W Nước cấp BHN Hình 1.8 Hệ thống điều chỉnh ba xung Lê Phấn Dũng -15- Lớp KTNL2 – K46 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Trong đó: BH – bao hơi; BQN - bộ quá nhiệt; BĐC - bộ điều chỉnh; BHN - bộ hâm nước; Bộ điều chỉnh ba xung lượng có ba tín hiệu vào đó là: tín hiệu mức nước bao hơi H, tín hiệu lưu lượng hơi D,... tải hơi không đổi D2, tương ứng với lưu lượng nước cấp vào lò W2 và mức nước ổn định H2 Thì ở tại thời điểm t2 vì một lý do nào đó phụ tải hơi lại tăng đột ngột từ giá trị D2 lên giá trị D 3 Do đó dẫn đến sự giảm áp suất bao hơi, làm tăng thể tích hỗn hợp hơi và nước trong bao hơi và hệ thống dàn ống sinh hơi, làm tăng mức nước trong bao hơi từ H2 lên H3 Tín hiệu thay đổi mức nước này được đưa về bộ điều. .. hỗn hợp hơi và nước chứa trong bao hơi và hệ thống dàn ống sinh hơi trong buồng lửa của lò Nhận được tín hiệu về sự giảm mức nước bao hơi, bộ điều chỉnh bắt đầu tác động tăng độ mở của van nước cấp và từ đó tăng lưu lượng nước cấp từ W1 đến Wa Sự tăng lưu lượng nước cấp vượt hơn sự tăng của lưu lượng hơi dẫn đến cân bằng vật chất bị phá vỡ và từ đó làm tăng mức nước Theo độ tăng dần của mức nước mà bộ. .. lượng nước cấp vào lò thông qua sự thay đổi mức nước trong bao hơi nên quá trình điều chỉnh có sự dao động mức nước Nhưng hệ thống này lại khắc phục được sự dao động mức nước về phía thay đổi phụ tải hơi Bộ điều chỉnh hai xung này được sử dụng với các lò hơi mà trong đó sự thay đổi mức nước xảy ra rõ rệt, còn dao động áp suất trong đường ống cấp nước là không lớn (ít sử dụng trong các lò có bộ giảm... điều chỉnh, từ đó bộ điều chỉnh cho tín hiệu đóng bớt độ mở van nước cấp giảm lưu lượng nước cấp vào lò từ giá trị W3 xuống Wb Sự không tương úng giữa lưu lượng nước cấp vào lò và lưu lượng hơi ra khỏi lò sẽ dẫn đến làm giảm mức nước trong bao hơi Tín hiệu hiệu giảm mức nước bao hơi này lại được truyền đến bộ điều chỉnh và từ đó bộ điều chỉnh cho tín hiệu ra tăng dần độ mở của van nước cấp và tương... tích phân của đối tượng và nhấp nó vào bộ điều khiển thì đối tượng trở thành có tự cân bằng và khi đó phương pháp xấp xỉ mô hình bậc nhất có trễ của đối tượng trở nên dùng được nhưng chỉ đúng với bộ điều khiển P hoặc PD Lê Phấn Dũng -17- Lớp KTNL2 – K46 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC 1.2.2 Tổng hợp, thiết kế theo phương pháp Chien–Hrones–Reswick– Kuhn Phương pháp tổng hợp và thiết kế theo Chien – Hrones –...  - c2 nếu bộ điều khiển được sử dụng là P 2 c1 c,2   ,2 nếu bộ điều khiển được sử dụng là PD c1 Lê Phấn Dũng -20- (1.17) (1.18) Lớp KTNL2 – K46 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Từ đó suy ra: - kp  1 cho bộ điều khiển P , k itd c1,  - kp  1 và TD = TI cho bộ điều khiển PD , k itd c1,  Trong đó:  = a + c và a, c được tính từ bộ quá điều chỉnh cực đại mong muốn max theo bảng cho ở trên 1.3 TỔNG QUAN . Đề tài Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện giải quyết những vấn đề sau: - Chương 1: Tổng quan về phương pháp điều chỉnh. - Chương 2: Phương pháp hiệu. trình bày phương pháp phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển số mức nước trong nhà máy nhịêt điện, cụ thể chọn nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2. Phương pháp này, dựa trên quan điểm tổng hợp bền. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Lê Phấn Dũng Lớp KTNL2 – K46 -1- Đồ án: Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển nước bao hơi trong nhà máy nhiệt điện ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI