Nghiên cứu nâng cao điều khiển mức nước bao hơi nhà máy nhiệt điện

Tìm hiểu nguyên lý và giải pháp điều khiển mức nước bao hơi nhà máy nhiệt điện để đảm bảo hệ thống vận hành an toàn, ổn định và hiệu quả.

• Tác giả: Trần Mạnh Hùng
• Người hướng dẫn: TS. Trần Xuân Minh
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển mức nước bao hơi cho nhà máy nhiệt điện
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• Lêi nãi ®Çu
• 1. Chương 1: Giới thiệu về hệ thống điều khiển mức nước bao hơi trong lò hơi nhà máy nhiệt điện và thuật toán vượt khe
• 1.1. Giới thiệu về hệ thống điều khiển mức nước bao hơi trong lò hơi nhà máy nhiệt điện
• 1.2. Các cấu trúc cơ bản của điều khiển mức nước bao hơi
• 1.2.1. Các ký hiệu trên sơ đồ logic
• 1.2.2. Sơ đồ điều chỉnh một tín hiệu
• 1.2.3. Sơ đồ điều chỉnh hai tín hiệu
• 1.2.4. Sơ đồ điều chỉnh ba tín hiệu
• 1.3. Điều chỉnh mức nước bao hơi và các phương pháp điều chỉnh
• 1.4. Vai trò và nhiệm vụ của hệ thống tự động điều chỉnh cấp nước lò hơi
• 1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi mức nước bao hơi
• 1.6. Các sơ đồ tự động điều chỉnh mức nước bao hơi
• 1.6.1. Hệ thống điều chỉnh một xung
• 1.6.2. Hệ thống điều chỉnh hai xung: H, D
• 1.6.3. Hệ thống điều chỉnh ba xung
• 1.7. Các phương pháp hiệu chỉnh hệ thống với đối tượng không có tự cân bằng
• 1.7.1. Tổng hợp và thiết kế theo phương pháp thứ nhất của Ziegler–Nichols
• 1.7.2. Tổng hợp, thiết kế theo phương pháp Chien–Hrones–Reswick– Kuhn
• 1.7.3. Tổng hợp và thiết kế theo phương pháp Reinisch
• 1.8. Thuật toán vượt khe
• 1.8.1. Bước vượt khe
• 1.8.2. Phương pháp vượt khe theo hướng chiếu affine
• 2. Chương 2: Tổng hợp và thiết kế bộ điều khiển dựa trên phần mềm CASCAD
• 2.1. Nhận dạng mô hình đối tượng
• 2.1.1. Phương pháp nhận dạng mô hình đối tượng đang làm việc
• 2.1.2. Bài toán nhận dạng hệ nhiều tầng
• 2.1.3. Xác định ảnh của tín hiệu hàm thời gian
• 2.1.4. Xác định hàm truyền của đối tượng
• 2.1.5. Sai số mô hình hóa và mô hình bất định
• 2.2. Giới thiệu về phần mềm CASCAD để nhận dạng đối tượng
• 2.2.1. Mục đích ý nghĩa của tổ hợp CASCAD
• 2.2.2. Cấu trúc của chương trình
• 2.2.3. Những chức năng cơ bản của CASCAD
• 2.2.4. Thiết lập hệ thống điều khiển
• 2.2.5. Chế độ đồ họa – Dựng các đặc tính của hệ thống
• 2.3. Nhận dạng đối tượng
• 2.3.1. Nhận dạng đối tượng theo số liệu vận hành bình thường tại nhà máy Nhiệt điện phả lại 2
• 2.3.2. Khái quát chung về sơ đồ điều khiển mức nước bao hơi của nhà máy
• 2.3.3. Nhận dạng đối tượng
• 2.3.4. Nhận dạng đối tượng vòng trong và vòng ngoài
• 2.3.5. Nhận dạng đối tượng theo kênh nhiễu
• 2.4. Xây dựng hàm truyền đạt cho các thiết bị đo lường
• 2.4.1. Hàm truyền đạt cho cảm biến đo lưu lượng nước cấp
• 2.5. Tổng hợp bộ điều khiển
• 2.5.1. Thiết kế bộ điều khiển tương tự cho hệ thống điều khiển công suất lò hơi
• 2.5.2. Ph©n tÝch bé ®iÒu khiÓn PID
• 2.5.3. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển tương tự
• 2.5.4. Tổng hợp mạch vòng điều khiển lưu lượng nước cấp
• 2.5.5. Tæng hîp m¹ch vßng ®iÒu khiÓn bï nhiÔu l-u l-îng h¬i
• 2.5.6. Tổng hợp mạch vòng điều khiển mức nước bao hơi
• 2.5.7. Tổng hợp cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước bao hơi
• 2.5.8. Kết quả mô phỏng các mạch vòng
• 3. Chương 3: Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển mức nước bao hơi bằng phương pháp điều khiển mờ
• 3.1. Khái niệm cơ bản
• 3.2. Định nghĩa tập mờ
• 3.3. Các thuật ngữ trong logic mờ
• 3.3.1. Biến ngôn ngữ
• 3.4. Các phép toán trên tập mờ
• 3.5. Luật hợp thành
• 3.6. Bộ điều khiển mờ
• 3.6.1. Cấu trúc một bộ điều khiển mờ
• 3.6.2. Nguyên lý điều khiển mờ
• 3.7. Thiết kế bộ điều khiển mờ
• 3.7.1. Thiết kế bộ điều khiển mờ điều chỉnh mức nuớc bao hơi

Tóm tắt

I. Vai trò cốt lõi của điều khiển mức nước bao hơi nhà máy điện

Trong vận hành nhà máy nhiệt điện, hệ thống điều khiển mức nước bao hơi đóng vai trò là một trong những khâu tự động hóa quan trọng nhất. Nhiệm vụ chính của hệ thống này là duy trì sự cân bằng vật chất, đảm bảo lượng nước cấp vào lò hơi tương ứng chính xác với lượng hơi sinh ra và được đưa sang tuabin. Sự cân bằng này trực tiếp ảnh hưởng đến an toàn lò hơi, hiệu suất chuyển đổi năng lượng và tuổi thọ của các thiết bị trọng yếu. Bất kỳ sự phá vỡ nào trong tương quan này đều có thể dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng. Nếu mức nước trong bao hơi dâng lên quá cao, các giọt ẩm có thể bị cuốn theo hơi sang bộ quá nhiệt và tuabin. Hiện tượng này không chỉ làm giảm nhiệt độ hơi, giảm hiệu suất chu trình nhiệt mà còn gây ăn mòn, xâm thực cánh tuabin, dẫn đến hư hỏng nặng và chi phí sửa chữa tốn kém. Ngược lại, nếu mức nước tụt xuống quá thấp, hệ thống tuần hoàn tự nhiên của nước trong các ống sinh hơi sẽ bị phá vỡ. Khi đó, các ống kim loại không được làm mát đầy đủ trong khi vẫn phải chịu nhiệt lượng cực lớn từ buồng đốt, có nguy cơ bị quá nhiệt, biến dạng, thậm chí gây nổ ống, buộc phải dừng lò khẩn cấp. Do đó, việc thiết kế một hệ thống điều khiển mức nước bao hơi chính xác, phản ứng nhanh và ổn định là yêu cầu bắt buộc để tối ưu hóa vận hành lò hơi và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho toàn bộ tổ máy.

1.1. Nhiệm vụ đảm bảo cân bằng vật chất trong lò hơi

Nhiệm vụ cơ bản của hệ thống là đảm bảo phương trình cân bằng vật chất: lưu lượng nước cấp (W) vào lò phải bằng lưu lượng hơi (D) ra khỏi lò. Trong điều kiện vận hành lý tưởng, khi hai lưu lượng này bằng nhau, mức nước trong bao hơi sẽ được giữ ổn định tại một giá trị đặt (setpoint). Tuy nhiên, thực tế vận hành luôn phát sinh các nhiễu loạn làm phá vỡ sự cân bằng này. Các nhiễu loạn này bao gồm sự thay đổi phụ tải của tuabin (yêu cầu lượng hơi thay đổi), biến động áp suất bao hơi, thay đổi nhiệt độ nước cấp hoặc sự không ổn định của quá trình cháy trong buồng lửa. Mục tiêu của điều khiển quá trình này là phải dự đoán và bù trừ các ảnh hưởng đó một cách nhanh chóng thông qua việc điều khiển van cấp nước lò hơi hoặc tốc độ bơm cấp nước lò hơi, nhằm tái lập trạng thái cân bằng và ổn định mức nước trống hơi trong giới hạn cho phép.

1.2. Hậu quả khi mức nước bao hơi vượt ngưỡng an toàn

Việc mức nước bao hơi vượt ra ngoài dải vận hành an toàn sẽ kích hoạt các hệ thống bảo vệ, thậm chí có thể dẫn đến dừng tổ máy, gây thiệt hại lớn về kinh tế. Cụ thể, mức nước quá cao (High-High Level) sẽ làm giảm chất lượng hơi, gây ngập bộ phân ly hơi, khiến hơi ẩm tràn sang bộ quá nhiệt. Điều này làm giảm nhiệt độ hơi quá nhiệt, và tệ hơn là gây ra hiện tượng sốc nhiệt, ăn mòn các tầng cánh cuối của tuabin. Ngược lại, mức nước quá thấp (Low-Low Level) là một tình huống cực kỳ nguy hiểm, có thể gây cháy, nổ ống sinh hơi do mất khả năng làm mát. Luận văn của Trần Mạnh Hùng (2012) đã chỉ ra rằng: “Khi mức nước bao hơi thấp hơn mức yêu cầu làm mất sự tuần hoàn tự nhiên của nước... có thể làm biến dạng hoặc phình nổ các ống sinh hơi”. Do đó, việc giám sát mức nước lò hơi và điều khiển chính xác là yếu tố sống còn trong tự động hóa nhà máy nhiệt điện.

II. Phân tích thách thức khi điều khiển mức nước bao hơi lò hơi

Việc điều khiển mức nước bao hơi không phải là một bài toán đơn giản. Nó là một quá trình phi tuyến, nhiều biến và có độ trễ lớn. Thách thức lớn nhất đến từ đặc tính động học phức tạp của lò hơi, đặc biệt là hiệu ứng co dãn (swell and shrink). Đây là hiện tượng mức nước đo được không phản ánh đúng lượng nước thực tế trong bao hơi khi có sự thay đổi đột ngột về áp suất hoặc phụ tải. Ví dụ, khi phụ tải hơi tăng, áp suất trong bao hơi giảm đột ngột, làm một phần nước sôi bùng lên, tạo thêm nhiều bọt khí. Điều này khiến thể tích hỗn hợp hơi-nước tăng lên, làm mức nước đo được dâng lên tạm thời, trong khi thực tế lượng nước trong lò đang giảm đi. Một bộ điều khiển đơn giản sẽ phản ứng sai lầm bằng cách giảm lượng nước cấp, làm tình hình trầm trọng hơn. Ngoài ra, các yếu tố như áp suất bao hơi, lưu lượng hơi và lưu lượng nước cấp có sự tương tác qua lại mật thiết, tạo thành một hệ thống nhiều vòng lặp phức tạp. Các bộ điều khiển phải được thiết kế để xử lý đồng thời các nhiễu này, tránh gây ra dao động hoặc mất ổn định. Đặc tính của đối tượng điều khiển (lò hơi) cũng thay đổi theo thời gian do bám bẩn, mài mòn, làm cho các bộ tham số điều khiển được chỉnh định ban đầu trở nên kém hiệu quả.

2.1. Hiểu đúng về hiệu ứng co dãn swell and shrink

Hiệu ứng co dãn, hay còn gọi là hiện tượng sôi bồng, là một trong những yếu tố phức tạp nhất. Theo mô tả trong tài liệu nghiên cứu, khi sản lượng hơi tăng đột ngột, áp suất bao hơi sẽ giảm. Sự giảm áp này làm cho nước trong lò sôi mạnh hơn, tạo ra nhiều bọt khí hơn và làm tăng thể tích chiếm chỗ, dẫn đến mức nước đo được dâng lên (swell). Ngược lại, khi sản lượng hơi giảm, áp suất tăng lên, một phần hơi trong hỗn hợp ngưng tụ lại, làm mức nước đo được giảm xuống đột ngột (shrink). Phản ứng phi trực giác này là nguyên nhân chính khiến các hệ thống điều khiển đơn giản (một phần tử) thất bại. Một bộ điều khiển PID thông thường nếu chỉ dựa vào tín hiệu mức nước sẽ ra quyết định sai, gây ra dao động lớn và có thể dẫn đến dừng lò. Việc khắc phục hiện tượng này đòi hỏi các cấu trúc điều khiển tiên tiến hơn, có khả năng dự đoán.

2.2. Sự ảnh hưởng tương hỗ của áp suất và lưu lượng hơi

Mức nước bao hơi không chỉ phụ thuộc vào cân bằng giữa lưu lượng vào và ra, mà còn chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ các thông số vận hành khác. Áp suất bao hơi thay đổi sẽ làm thay đổi nhiệt độ sôi của nước, từ đó ảnh hưởng đến tốc độ sinh hơi. Lưu lượng hơi ra khỏi lò không chỉ làm giảm lượng nước mà còn gây ra hiệu ứng sôi bồng như đã đề cập. Thêm vào đó, lưu lượng và nhiệt độ của nước cấp cũng là một nguồn nhiễu. Sự thay đổi áp suất trên đường ống cấp có thể làm thay đổi lưu lượng thực tế qua van cấp nước lò hơi dù độ mở van không đổi. Tất cả những yếu tố này tương tác lẫn nhau, khiến cho việc xác định một hàm truyền chính xác cho đối tượng trở nên cực kỳ khó khăn. Chính vì vậy, các phương pháp nhận dạng và mô phỏng điều khiển mức nước bao hơi là cần thiết để xây dựng mô hình toán học và thiết kế bộ điều khiển hiệu quả.

III. Phương pháp điều khiển mức nước bao hơi 3 phần tử tối ưu

Để giải quyết các thách thức phức tạp, ngành công nghiệp điện đã phát triển và chuẩn hóa các cấu trúc điều khiển khác nhau. Trong đó, hệ thống điều khiển mức nước bao hơi theo cấu trúc ba phần tử (hay ba xung) được xem là giải pháp toàn diện và hiệu quả nhất cho các lò hơi công suất lớn. Cấu trúc này vượt trội hơn hẳn so với sơ đồ một phần tử (chỉ dùng tín hiệu mức nước) và hai phần tử (dùng tín hiệu mức nước và lưu lượng hơi). Nguyên lý cốt lõi của điều khiển 3 phần tử là sử dụng ba tín hiệu đo lường quan trọng: mức nước bao hơi (tín hiệu phản hồi chính), lưu lượng hơi ra khỏi lò (tín hiệu dự báo nhiễu tải), và lưu lượng nước cấp vào lò (tín hiệu phản hồi phụ). Sự kết hợp này cho phép hệ thống phản ứng ngay lập tức với sự thay đổi của phụ tải hơi, trước cả khi nó gây ra sự thay đổi về mức nước, nhờ đó loại bỏ được ảnh hưởng của hiệu ứng sôi bồng. Đồng thời, vòng lặp phụ điều khiển lưu lượng nước cấp đảm bảo rằng lượng nước vào lò luôn chính xác như yêu cầu của bộ điều khiển chính, bất chấp sự thay đổi áp suất trên đường ống cấp. Đây là một cấu trúc điều khiển kiểu cascade (nối tầng) kinh điển trong điều khiển quá trình công nghiệp.

3.1. Phân tích cấu trúc sơ đồ điều khiển 3 phần tử ba xung

Trong sơ đồ P&ID điều khiển mức nước ba phần tử, bộ điều khiển chính (Master Controller) là một bộ điều khiển PID nhận tín hiệu sai lệch giữa mức nước thực tế và giá trị đặt. Đầu ra của bộ điều khiển này không trực tiếp điều khiển van mà trở thành giá trị đặt cho bộ điều khiển phụ (Slave Controller). Tín hiệu lưu lượng hơi được sử dụng như một tín hiệu feedforward (đón trước), cộng vào đầu ra của bộ điều khiển chính. Tổng tín hiệu này trở thành giá trị đặt cho lưu lượng nước cấp. Bộ điều khiển phụ so sánh giá trị đặt này với tín hiệu lưu lượng nước cấp thực tế đo được và điều khiển van cấp nước lò hơi để khử sai lệch. Như tài liệu đã mô tả: “Khi lưu lượng hơi thay đổi tín hiệu này được truyền ngay vào bộ điều chỉnh nước cấp trước khi mức nước thay đổi”. Cấu trúc này đảm bảo ổn định mức nước trống hơi ngay cả khi có sự biến động lớn về phụ tải.

3.2. So sánh hiệu quả với điều khiển một và hai phần tử

Hệ thống điều khiển một phần tử (một xung) chỉ sử dụng tín hiệu mức nước. Nó đơn giản nhưng phản ứng chậm và không thể xử lý hiệu ứng sôi bồng, chỉ phù hợp cho các lò hơi nhỏ, phụ tải ổn định. Hệ thống hai phần tử (hai xung) cải tiến bằng cách thêm tín hiệu lưu lượng hơi làm tín hiệu dự báo. Điều này giúp cải thiện đáng kể khả năng đáp ứng với thay đổi phụ tải. Tuy nhiên, nó vẫn có nhược điểm là không bù được các nhiễu từ phía nước cấp, ví dụ như sự thay đổi áp suất của bơm cấp nước lò hơi. Hệ thống điều khiển 3 phần tử khắc phục hoàn toàn nhược điểm này bằng cách thêm vòng lặp điều khiển lưu lượng nước cấp. Nhờ vậy, nó mang lại chất lượng điều chỉnh cao nhất, giữ mức nước ổn định trong dải hẹp, là tiêu chuẩn cho các nhà máy nhiệt điện hiện đại.

IV. Hướng dẫn nâng cao chất lượng điều khiển mức nước bao hơi

Mặc dù cấu trúc điều khiển 3 phần tử là tối ưu, chất lượng điều khiển cuối cùng phụ thuộc rất nhiều vào việc hiệu chỉnh chính xác các thông số của bộ điều khiển PID. Việc hiệu chỉnh không tốt sẽ dẫn đến dao động, đáp ứng chậm hoặc quá điều chỉnh lớn. Luận văn của Trần Mạnh Hùng (2012) chỉ rõ thực tế tại nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2: “Một trong những nguyên nhân chính đó là quá trình hiệu chỉnh tham số điều chỉnh không tốt... kết quả mức nước vẫn dao động lớn”. Các phương pháp hiệu chỉnh kinh nghiệm như Ziegler-Nichols, dù phổ biến, thường không cho kết quả tốt nhất đối với một đối tượng phức tạp và không tự cân bằng như mức nước bao hơi. Để nâng cao chất lượng điều khiển, cần áp dụng các phương pháp nhận dạng hệ thống hiện đại để xây dựng mô hình toán học chính xác của lò hơi. Từ mô hình này, có thể sử dụng các thuật toán tổng hợp bộ điều khiển tiên tiến để tìm ra bộ thông số PID tối ưu. Phần mềm chuyên dụng như CASCAD được đề cập trong tài liệu là một công cụ mạnh mẽ cho phép thực hiện quá trình này, từ nhận dạng đối tượng dựa trên số liệu vận hành thực tế đến mô phỏng và tối ưu hóa hệ thống.

4.1. Nhận dạng mô hình đối tượng từ số liệu vận hành thực tế

Bước đầu tiên để tối ưu hóa là phải hiểu rõ đối tượng. Thay vì dựa vào các mô hình lý thuyết, phương pháp hiện đại là thu thập dữ liệu vận hành thực tế (đầu vào và đầu ra của đối tượng) khi hệ thống đang hoạt động. Tài liệu nghiên cứu đề xuất phương pháp nhận dạng dựa vào “tác động bất kỳ làm hệ thống thay đổi từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác”. Dữ liệu này sau đó được xử lý bằng các thuật toán, ví dụ như thuật toán “Vượt khe” được cài sẵn trong CASCAD, để xác định hàm truyền đạt của đối tượng. Quá trình này giúp xây dựng một mô hình toán học phản ánh chính xác đặc tính động học của lò hơi tại thời điểm hiện tại, bao gồm cả quán tính, độ trễ và các yếu tố phi tuyến. Đây là nền tảng vững chắc cho việc thiết kế và tối ưu hóa vận hành lò hơi.

4.2. Ứng dụng điều khiển mờ Fuzzy Logic để cải tiến PID

Để xử lý các tính chất phi tuyến và bất định của lò hơi, các kỹ thuật điều khiển thông minh như logic mờ có thể được tích hợp để cải tiến bộ điều khiển PID truyền thống. Một bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic Controller - FLC) có thể hoạt động song song hoặc kết hợp với PID. Nó sử dụng các quy tắc “NẾU-THÌ” dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia vận hành để điều chỉnh các tham số PID (Kp, Ki, Kd) một cách linh hoạt theo điều kiện vận hành. Ví dụ: NẾU sai lệch mức nước LỚN VÀ đang TĂNG NHANH, THÌ tăng mạnh hệ số Kp. Hướng tiếp cận này, được trình bày trong Chương 3 của tài liệu gốc, cho phép hệ thống điều khiển mức nước bao hơi thích ứng tốt hơn với các thay đổi lớn của phụ tải và các đặc tính phi tuyến, giảm thiểu độ quá điều chỉnh và rút ngắn thời gian ổn định, qua đó nâng cao đáng kể chất lượng điều khiển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi là một trong những khâu quan trọng của hệ thống điều chỉnh lò hơi. Nhiệm vụ của hệ thống này là đảm bảo tương quan lượng nước đưa vào lò hơi và lượng hơi sinh ra. Khi tương quan này bị phá vỡ thì mức nước trong bao hơi sẽ không cố định. Mức nước thay đổi sẽ dẫn tới sự cố ở tuabin hay lò hơi.

Nếu mức nước bao hơi lớn quá giá trị cho phép sẽ làm giảm năng suất bốc hơi của bao hơi, giảm nhiệt độ hơi quá nhiệt ảnh hưởng tới sự vận hành của tuabin. Nếu mức nước bao hơi quá thấp so với giá trị cho phép làm tăng nhiệt độ hơi quá nhiệt, có thể gây nổ hệ thống ống sinh hơi. Tương quan giữ lưu lượng hơi và nước cấp bị phá vỡ do nhiều nguyên nhân gây ra như lưu lượng hơi, lưu lượng nước cấp, nhiệt độ nước cấp, nhiệt lượng than toả ra trong buồng đốt. - Lưu lượng hơi: khi lượng hơi sang tuabin tăng thì mức nước trong bao hơi giảm và ngược lại.

- Lưu lượng nước cấp: khi lưu lượng nước cấp vào lò tăng thì mức nước trong bao hơi cũng tăng. - Quá trình cháy: khi lượng nhiệt cấp cho lò thay đổi thì mức nước trong bao hơi cũng thay đổi theo. Khi lò đang vận hành bình thường, nếu lượng nhiệt cấp cho lò tăng lên (tăng lượng nhiên liệu cho quá trình cháy) thì trong một khoảng thời gian khoảng 30s, mức nước sẽ tăng lên đột ngột do hàm lượng hơi trong hệ thống tăng đột ngột, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 8 hiện tượng này gọi là hiện tượng sôi bồng. Sau thời gian này nếu lượng nhiệt cấp cho lò vẫn tăng thì mức nước trong bao hơi lại bắt đầu giảm dần do lượng nước hoá hơi tăng lên.

Khi giảm lượng than cấp cho lò thì mức nước bao hơi sẽ thay đổi theo chiều ngược lại, lúc này lượng nước hoá hơi ít đi dẫn đến mức nước bao hơi tăng lên. - Áp suất trong bao hơi: khi áp suất trong bao hơi thay đổi thì mức nước bao hơi thay đổi theo quan hệ nghịch. Nếu áp suất tăng thì mức nước bao hơi giảm và nếu áp suất giảm thì mức nước bao hơi sẽ tăng. Khi áp suất tăng, một bộ phận hơi trong hỗn hợp nước sẽ ngưng tụ dẫn đến mức nước giảm xuống.

Đồng thời, khi tăng áp lực hơi thì thể tích hơi của lò cũng giảm, làm mức nước giảm. Ngược lại khi áp suất giảm thì dẫn đến mức nước trong bao hơi tăng. Các phương pháp điều chỉnh mức nước bao hơi: việc điều khiển mức nước bao hơi có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau tuỳ theo loại lò. Thông thường sử dụng ba sơ đồ là sơ đồ một tín hiệu, hai tín hiệu và ba tín hiệu.

Các cấu trúc cơ bản của điều khiển mức nƣớc bao hơi 1. Các ký hiệu trên sơ đồ logic  Khối cộng F (x) Hàm chuyển đổi +  Bộ trừ 0 - T 1 Bộ truyền tín hiệu A Khối đặt giá trị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 9 RL Bộ chuyển đổi tín hiệu I Bộ chuyển đổi dòng P điện sang áp suất Khâu phản hồi Đo chuyển đổi tín hiệu lường W Bộ chuyển đổi lưu lượng I nước sang dòng điện ZT Bộ chuyển đổi vị trí  Khối điều khiển PID (tỷ lệ - vi phân – tích phân): Thực hiện chức năng điều khiển: Tỷ lệ, vi phân, tích phân dựa trên sự K sai lệch biến quá trình đầu vào (PV) so với giá trị điểm đặt  (SV) cho ra tín hiệu điều khiển 1. Sơ đồ điều chỉnh một tín hiệu Tín hiệu điều chỉnh ở đây là tín hiệu về mức nước tương đối trong bao hơi, tín hiệu đầu ra của bộ điều chỉnh mức nước được đưa vào cơ cấu chấp hành để điều khiển đóng mở van nhằm thay đổi lưu lượng nước cấp vào lò theo yêu cầu. Cách điều khiển này chỉ dùng cho các lò hơi có dung tích nước lớn và sản lượng hơi nhỏ (dưới 30 T/h).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.1: Sơ đồ điều chỉnh mức nƣớc bao hơi dùng một tín hiệu 1. Sơ đồ điều chỉnh hai tín hiệu Trong sơ đồ này ngoài tín hiệu về mức nước đo được trong bao hơi còn sử dụng thêm một tín hiệu thứ hai là tín hiệu lưu lượng hơi. Tín hiệu lưu lượng hơi là tín hiệu đoán trước được đưa vào bộ điều chỉnh feedforward. Kiểu điều khiển kết hợp feedback và feedforward này cho phép bộ điều chỉnh dự đoán trước được sự thay đổi lưu lượng nước cấp trước khi mức nước trong bao hơi bị giảm đi.

Nhờ đó mà khử bỏ được ảnh hưởng chậm trễ của nó tới mức nước khi phụ tải thay đổi. Sơ đồ này thường dùng cho lò hơi loại trung bình và nhỏ có phụ tải ít thay đổi.2: Sơ đồ điều chỉnh mức nƣớc bao hơi dùng hai tín hiệu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www. Sơ đồ điều chỉnh ba tín hiệu Trong sơ đồ này người ta sử dụng thêm một tín hiệu nữa là tín hiệu lưu lượng nước cấp, hai bộ điều chỉnh PI được liên kết với nhau theo kiểu cascade. Khi đó tín hiệu ra của bộ điều chỉnh mức nước sẽ trở thành tín hiệu đặt cho bộ điều chỉnh cấp nước.

Còn tín hiệu lưu lượng hơi cũng giống như ở sơ đồ điều chỉnh hai phần tử nó là tín hiệu đoán trước sự thay đổi của phụ tải. Mức nước luôn được giữ trong vùng giới hạn cho phép, khi các quá trình động học thay đổi bộ điều chỉnh làm việc với ba phần tử với sự bù hiện tượng sôi bồng (Swell) được sử dụng khi tải lớn hơn 25%. Các thành phần điều khiển lưu lượng nước cấp sẽ ảnh hưởng tương tác lẫn nhau nếu không chỉnh định tốt. Một sự thay đổi vị trí van nước cấp sẽ dẫn đến thay đổi chênh áp, mà nó sẽ dẫn đến việc điều chỉnh tốc độ bơm cấp.

Nếu việc chỉnh định không tốt sẽ dẫn đến quá điều chỉnh hoặc dao động dạng sóng.3: Sơ đồ điều chỉnh mức nƣớc bao hơi dùng ba tín hiệu Sơ đồ ba tín hiệu đảm bảo được chất lượng điều chỉnh cao, bởi vì nhiễu từ lưu lượng hơi (nhiễu ngoài) được khử bỏ từ tín hiệu nước cấp, còn các nhiễu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 12 khác (nhiễu trong) xảy ra trong lò như áp suất hơi, nhiệt độ nước cấp, nhiệt lượng toả ra của nhiên liệu. được khử bỏ từ tín hiệu mức nước trong bao hơi. Trong sơ đồ này, tín hiệu mức nước là tín hiệu phản hồi, tín hiệu về lưu lượng hơi là tín hiệu tiền định nó phản ánh trạng thái của phụ tải hơi. Nhờ tín hiệu này mà có thể khử bỏ được ảnh hưởng chậm trễ tới mực nước khi phụ tải thay đổi.

Có nghĩa là khi lưu lượng hơi thay đổi tín hiệu này được truyền ngay vào bộ điều chỉnh nước cấp trước khi mức nước thay đổi và bộ điều chỉnh nước cấp thay đổi lượng nước cấp vào lò để cân bằng với sản lượng hơi. Tín hiệu về lưu lượng nước cấp sẽ tăng thêm độ chính xác của tín hiệu tiền định bằng cách loại trừ các ảnh hưởng của lưu lượng cũng như áp suất. Như vậy ta có hai mạch vòng để điều chỉnh một thiết bị cấp nước (là một van hay một bơm cấp nước) đó là mạch vòng điều chỉnh lượng nước cấp cho bao hơi và mạch vòng điều chỉnh mức nước bao hơi. Trong hai mạch vòng này thì tín hiệu về mức nước sẽ được ưu tiên hơn so với tín hiệu lưu lượng hơi.

Tuy nhiên khi mà mức nước trong bao hơi gần tới điểm đặt (Sensor = 0) thì tín hiệu về sự thay đổi của lưu lượng sẽ tác động ngay lên mức nước, có nghĩa là tín hiệu điều khiển là tín hiệu về lưu lượng. Trong trường hợp mức nước trong bao hơi cao, phụ tải nhiệt khá lớn, lúc này bộ điều khiển mức nước có xu hướng đóng van cấp nước trong khi bộ điều chỉnh lưu lượng lại có xu hướng điều chỉnh để van này vẫn được mở ra. Do ta muốn mức nước phải giảm cho nên bộ điều khiển mức nước sẽ được ưu tiên hơn là bộ điều khiển lưu lượng hơi, có nghĩa là van cấp nước sẽ được đóng lại. Điều này xảy ra khi mà ta Reset lại bộ điều khiển mức.

Cả hai mạch vòng trên đều tác động đến van điều chỉnh một cách độc lập nhau: - Khi mức nước gần bằng điểm đặt thì bộ điều chỉnh lưu lượng tác động. - Khi mức nước quá thấp hoặc quá cao thì bộ điều chỉnh mức nước tác động. Từ sơ đồ cấu trúc ta có thể thấy hoạt động của sơ đồ như sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.vn 13 - Bình thường khi lưu lượng hơi cần sản xuất ra không thay đổi tức là phụ tải của nhà máy không thay đổi so với giá trị trước đó, do đó đầu vào của bộ điều chỉnh lưu lượng cũng không thay đổi và lượng nước cấp vào lò hơi cũng không thay đổi. - Khi lưu lượng hơi sản xuất ra giảm đi (phụ tải của nhà máy giảm xuống) thì mức nước trong bao hơi sẽ tăng lên, đầu vào của bộ điều chỉnh mức nước là L giảm, đầu vào của bộ điều chỉnh lưu lượng hơi giảm theo, tín hiệu điều chỉnh độ mở của van cấp giảm, lưu lượng nước cấp vào bao hơi sẽ giảm đi và do đó mức nước trong bao hơi sẽ giảm xuống trở về trạng thái ổn định ban đầu.

- Ngược lại, khi lưu lượng hơi sản xuất ra tăng, nghĩa là phụ tải của nhà máy tăng thì mức nước trong bao hơi sẽ bị giảm xuống, tín hiệu vào bộ điều chỉnh mức nước là L tăng lên, tín hiệu vào của bộ điều chỉnh lưu lượng theo đó cũng tăng lên, độ mở của van sẽ được tăng làm cho lượng nước cấp vào lò nhiều hơn, do đó mà mức nước lại tăng lên trở về mức nước ổn định ban đầu. Điều chỉnh mức nƣớc bao hơi và các phƣơng pháp điều chỉnh. Vai trò và nhiệm vụ của hệ thống tự động điều chỉnh cấp nƣớc 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 nư ớc cấp vào lò.