Nghiên Cứu Nâng Cao Chất Lượng Hệ Thống Điều Khiển Áp Suất Bao Hơi Bằng Bộ Điều Khiển Mờ PID

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển ổn định áp suất bao hơi bằng bộ điều khiển mờ, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Phạm Thị Bảo Ngọc
• Người hướng dẫn: TS. Trần Xuân Minh
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nâng Cao Chất Lượng Hệ Thống Điều Khiển Áp Suất Bao Hơi Bằng Bộ Điều Khiển Mờ PID
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Điều Khiển Áp Suất Bao Hơi

Hệ thống điều khiển áp suất bao hơi đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất hoạt động của lò hơi trong nhà máy nhiệt điện. Lò hơi là thiết bị lớn nhất và phức tạp nhất, nơi diễn ra quá trình chuyển hóa năng lượng từ nhiên liệu thành điện năng. Việc điều khiển áp suất bao hơi không chỉ đảm bảo an toàn mà còn tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển áp suất bao hơi bằng bộ điều khiển mờ PID.

1.1. Ứng Dụng Hệ Thống Điều Khiển Áp Suất

Hệ thống điều khiển áp suất bao hơi được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy nhiệt điện. Nó giúp duy trì áp suất ổn định, đảm bảo hiệu suất tối ưu cho quá trình sản xuất điện năng. Việc điều khiển chính xác áp suất giúp giảm thiểu rủi ro và tăng cường an toàn cho hệ thống.

1.2. Các Thành Phần Chính Của Hệ Thống

Hệ thống điều khiển áp suất bao hơi bao gồm nhiều thành phần như cảm biến áp suất, bộ điều khiển PID và các van điều chỉnh. Mỗi thành phần có vai trò riêng trong việc duy trì áp suất ổn định và đảm bảo hoạt động hiệu quả của lò hơi.

II. Vấn Đề Trong Hệ Thống Điều Khiển Áp Suất Bao Hơi

Hệ thống điều khiển áp suất bao hơi thường gặp nhiều thách thức trong quá trình vận hành. Các vấn đề như biến động áp suất, độ trễ trong phản hồi và sự không ổn định của hệ thống có thể ảnh hưởng đến hiệu suất. Việc nhận diện và khắc phục những vấn đề này là rất cần thiết để nâng cao chất lượng hệ thống.

2.1. Biến Động Áp Suất Trong Quá Trình Vận Hành

Biến động áp suất có thể xảy ra do nhiều yếu tố như thay đổi tải, chất lượng nhiên liệu và điều kiện môi trường. Những biến động này cần được giám sát và điều chỉnh kịp thời để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.

2.2. Độ Trễ Trong Phản Hồi Của Hệ Thống

Độ trễ trong phản hồi của hệ thống điều khiển có thể dẫn đến việc điều chỉnh không kịp thời, gây ra sự không ổn định trong áp suất. Việc tối ưu hóa thời gian phản hồi là một trong những thách thức lớn trong việc nâng cao chất lượng hệ thống.

III. Phương Pháp Nâng Cao Chất Lượng Hệ Thống Điều Khiển

Để nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển áp suất bao hơi, việc áp dụng bộ điều khiển mờ PID là một giải pháp hiệu quả. Bộ điều khiển này giúp cải thiện khả năng điều chỉnh và ổn định áp suất trong lò hơi, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.

3.1. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Mờ PID

Bộ điều khiển mờ PID được thiết kế để xử lý các biến động trong hệ thống điều khiển áp suất. Nó sử dụng các quy tắc mờ để đưa ra quyết định điều chỉnh, giúp cải thiện độ chính xác và độ ổn định của hệ thống.

3.2. Lợi Ích Của Bộ Điều Khiển Mờ PID

Việc sử dụng bộ điều khiển mờ PID mang lại nhiều lợi ích như khả năng điều chỉnh linh hoạt, giảm thiểu độ trễ và cải thiện độ ổn định của áp suất. Điều này giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn và tiết kiệm năng lượng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Bộ Điều Khiển Mờ PID

Bộ điều khiển mờ PID đã được áp dụng thành công trong nhiều nhà máy nhiệt điện, giúp nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển áp suất bao hơi. Các kết quả thực nghiệm cho thấy sự cải thiện rõ rệt về hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.

4.1. Kết Quả Nghiên Cứu Tại Nhà Máy Nhiệt Điện

Nghiên cứu tại nhà máy nhiệt điện cho thấy việc áp dụng bộ điều khiển mờ PID đã giúp giảm thiểu biến động áp suất và nâng cao hiệu suất sản xuất điện năng. Các số liệu thực nghiệm cho thấy sự cải thiện đáng kể trong quá trình vận hành.

4.2. Tác Động Đến Hiệu Suất Hoạt Động

Việc sử dụng bộ điều khiển mờ PID không chỉ cải thiện chất lượng áp suất mà còn tác động tích cực đến hiệu suất hoạt động của lò hơi. Điều này giúp giảm chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả kinh tế cho nhà máy.

V. Kết Luận Về Nâng Cao Chất Lượng Hệ Thống Điều Khiển

Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển áp suất bao hơi bằng bộ điều khiển mờ PID là một giải pháp hiệu quả cho các nhà máy nhiệt điện. Việc áp dụng phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.

5.1. Tương Lai Của Hệ Thống Điều Khiển

Tương lai của hệ thống điều khiển áp suất bao hơi sẽ tiếp tục được nghiên cứu và phát triển. Các công nghệ mới sẽ được áp dụng để nâng cao hiệu quả và độ ổn định của hệ thống.

5.2. Khuyến Nghị Đối Với Các Nhà Máy Nhiệt Điện

Các nhà máy nhiệt điện nên xem xét việc áp dụng bộ điều khiển mờ PID để nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển áp suất bao hơi. Điều này sẽ giúp cải thiện hiệu suất và giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Lò hơi là thiết bị trong đó xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa ra sẽ biến nước thành hơi, biến năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt năng của dòng hơi. Trong các nhà máy điện, lò hơi sản xuất ra hơi để làm quay tuôcbin phục vụ cho việc sản xuất điện năng và cũng là thiết bị lớn nhất và vận hành phức tạp nhất. Lò hơi là một hệ thống có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra. Hệ thống điều khiển lò hơi là một hệ thống điều khiển phức tạp, giám sát và điều khiển hàng trăm tham số.

Hệ thống có cấu trúc phức tạp với nhiều mạch vòng điều khiển khác nhau. Vận hành lò hơi là một công việc gồm nhiều thao tác điều khiển phức tạp. Quá trình vận hành lò hơi không tách khỏi quá trình vận hành chung toàn nhà máy. Mỗi một sự thay đổi của một khâu nào đó trong nhà máy đều dẫn đến sự 13 thay đổi chế độ vận hành của lò hơi và đòi hỏi phải thay đổi các thao tác điều khiển lò tương ứng.

Nhiệm vụ của công tác vận hành lò hơi là đảm bảo sao cho lò hơi làm việc ở trạng thái kinh tế nhất, an toàn nhất trong một thời gian lâu dài. Cụ thể trong quá trình vận hành lò hơi không để xẩy ra sự cố và phải đảm bảo lò làm việc có hiệu suất cao nhất, tương ứng là lượng than tiêu hao để sản xuất 1 kg hơi là nhỏ nhất. Các thông số của lò hơi như áp suất hơi trong bao hơi hoặc ở ống góp hơi chung, nhiệt độ hơi quá nhiệt, mức nước trong bao hơi, hệ số không khí thừa, chân không buồng lửa, hàm lượng muối trong nước cấp lò hơi và trong bao hơi, … phải được giữ cố định và chỉ được phép thay đổi trong một phạm vi giới hạn cho phép tương đối nghiêm khắc. Việc tự động hóa lò hơi chủ yếu tập trung vào vấn đề điều khiển tự động các quá trình trong lò để đảm bảo cho lò làm việc ổn định và kinh tế nhất bằng cách điều chỉnh năm quan hệ: phụ tải – nhiên liệu, phụ tải – không khí, phụ tải – khói thải, phụ tải – mức nước bao hơi và phụ tải – xả liên tục.

Do nhiệt độ hơi quá nhiệt phụ thuộc rất ít đến phụ tải lò hơi nên việc điều chỉnh nó được thực hiện độc lập chủ yếu bằng các bộ giảm ôn hỗn hợp. Từ những chỉ tiêu đặt ra, hệ thống điều khiển lò hơi phải được cấu thành từ một số bộ điều chỉnh tương đối độc lập với nhau gồm: - Hệ thống điều chỉnh mức nước bao hơi. - Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt. - Hệ thống điều chỉnh quá trình cháy.

- Hệ thống điều chỉnh sản lượng hơi. - Hệ thống điều chỉnh áp suất bao hơi. Hệ điều khiển bao hơi Hơi nước chính là đối tượng mang nhiệt năng, hơi được dẫn đến tuabin để sinh công (nhờ sự chuyển hoá năng lượng từ nhiệt năng thành cơ năng). Bao hơi là thiết bị gom hơi nước sau đó đưa đến tuabin.

Nước từ bao hơi được đưa xuống quanh lò bởi các ống dẫn (bao hơi đặt phía trên lò, ở vị trí cao nhất). Buồng đốt được cấu tạo từ các dàn ống sinh hơi, các dàn ông sinh hơi được đốt nóng trực tiếp bởi ngọn lửa trong lò, nước trong các dàn ống sinh hơi sẽ sôi và sinh hơi. Hỗn hợp hơi nước bốc lên từ các dàn ống sinh hơi tường hai bên lò tập trung vào các ống góp trên hai bên sườn trần lò. Từ các ống góp này hỗn hợp hơi nước đi vào bao hơi bằng các đường ống lên.

Hơi nước vào bao hơi sẽ qua máy lọc hơi để lọc đi phần nước trong hỗn hợp hơi nước rồi được đưa vào bộ quá nhiệt để khử ẩm cho hơi và đảm bảo chất lượng hơi trước khi bắn vào tuabin. Hơi nước là môi chất truyền năng nượng, để đảm bảo hiệu suất biến đổi năng lượng được tốt cần phải quan tâm tới các thông số cơ bản của hơi nước là: lưu lượng hơi, nhiệt độ hơi và áp suất sinh hơi.  Lưu lượng hơi: Lưu lượng hơi là thông số biến đổi theo phụ tải. Lưu lượng hơi dẫn vào tuabin càng nhiều thì công sinh ra càng lớn và công suất máy phát càng tăng lên và ngược lại.

Ở mỗi giá trị công suất điện phát ra cần có một lưu lượng hơi tương ứng. Để điều chỉnh lưu lượng hơi phải điều chỉnh nhiên liệu đầu vào cho quá trình cháy trong lò hơi và điều chỉnh van tuabin. Khi điều chỉnh nhiên liệu thì đồng thời tác động lên bộ điều khiển không khí cho phù hợp với chế độ kinh tế nhất. Hệ thống điều chỉnh phụ tải nhiệt nhằm duy trì ổn định sản lượng hơi ứng với giá trị yêu cầu.

Tuy nhiên lưu lượng hơi có thể bị thay đổi so với giá trị yêu cầu do nhiều nguyên nhân như: sự thay đổi độ ẩm và nhiệt trị của nhiên liệu, nhiệt độ nước 15 cấp, cũng như sự biến động của nhiên liệu, … Những thay đổi đó là tín hiệu tác động trở lại bộ điều chỉnh nhiên liệu để thay đổi lượng nhiên liệu từ đó duy trì lượng hơi ổn định theo yêu cầu.  Nhiệt độ hơi: Nhiệt độ hơi quá nhiệt là thông số quan trọng, thông số này cần được điều chỉnh giữ ổn định tại mọi giá trị tải. Nhiệt độ hơi được duy trì ở một giá trị cố định nhằm tiết kiệm năng lượng, tránh gây hư hại đường ống do dao động về nhiệt, và tránh tổn thất nhiệt năng do có sự trao đổi nhiệt giữa hơi và đường ống dẫn hơi. Hơi bão hoà ra khỏi bao hơi có nhiệt độ không ổn định do nhiều nguyên nhân như sự thay đổi tải lò, sự biến đổi của bề mặt truyền nhiệt,…  Áp suất hơi: Áp suất hơi cũng là một thông số của hệ điều khiển, với mọi giá trị yêu cầu của tải thì áp suất hơi được điều chỉnh ở một giá trị ổn đinh.

Giữa áp suất hơi và lưu lượng hơi có mối quan hệ qua lại với nhau. Khi lưu lượng hơi tăng thì ngay lập tức áp suất hơi sẽ giảm do hơi từ bao hơi chưa cung cấp kịp cho sự thay đổi của yêu cầu hơi. Vì vậy sự thay đổi của áp suất hơi khi có yêu cầu thay đổi tải lò còn dùng làm tín hiệu tính toán yêu cầu nhiên liệu. Khi áp suất ổn định chứng tỏ lượng hơi tiêu thụ và lượng hơi sinh ra cân bằng nhau.

Áp suất hơi giảm tức là hơi tiêu thụ nhiều tăng lên, nên cần phải tăng thêm nhiêu liệu đê tăng sản lượng hơi, còn khi áp suất hơi tăng lên thì quá trình xảy ra ngược lại, Tóm lại nhiệt độ, lưu lượng và áp suất hơi quá nhiệt trước khi vào tuabin là các thông số quan trọng của hệ thống điều khiển hơi. Việc tối ưu hoá các giá trị này như một giải pháp nâng cao hiệu suất của nhà máy và chất lượng điện phát ra. 16 Hệ thống điều khiển hơi có hai hệ điều khiển được phân ly: hệ điều khiển nhiệt độ và hệ điều khiển áp suất – lưu lượng. Hệ điều khiển áp suất và lưu lượng hơi: Đại lượng yêu cầu điều khiển ở đây là áp suất hơi phải giữ không đổi với mọi giá trị tải yêu cầu, trong khi đó lưu lượng lại luôn thay đổi phụ thuộc vào công suất tải yêu cầu.

Để thực hiện điều khiển được hai đại lượng đó thì phải điều khiển tới yêu cầu nhiên liệu. Mục tiêu của nghiên cứu Vấn đề quan trọng của các hệ thống điều khiển quá trình là bộ điều khiển. Với các bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển quá trình có chất lượng thấp như không thích nghi, không bền vững, tín hiệu điều khiển không bị chặn. Trên cơ sở các tín hiệu vào là lưu lượng nước cấp, lưu lượng hơi tươi và mức nước bao hơi, bộ điều chỉnh mức nước sẽ làm thay đổi độ mở van cấp nước một cách tương ứng để duy trì ổn định áp suất trong bao hơi.

Áp suất hơi cũng là một thông số của hệ điều khiển, với mọi giá trị yêu cầu của tải thì áp suất hơi được điều chỉnh ở một giá trị ổn định. Do đó, yêu cầu đối với bộ điều chỉnh áp suất bao hơi là phải có độ tác động nhanh phù hợp. 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 Việc đưa ra phương pháp điều khiển hiện đại áp dụng cho một hệ thống điều khiển quá trình, cụ thể là điều khiển áp suất bao hơi của nhà máy nhiệt điện.

Đảm bảo khả năng hoạt động tốt trong mọi chế độ làm việc đòi hỏi các nhà khoa học không ngừng phát triển nghiên cứu. Vì vậy nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống ổn định áp suất bao hơi là cấp thiết. Mục tiêu của luận văn là: - Mô tả toán học cho hệ thống điều khiển áp suất bao hơi. - Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều khiển hệ thống áp suất bao hơi.

Dự kiến các kết quả đạt đƣợc - Thiết kế bộ điều khiển PID để điều khiển và ổn định áp suất của mô hình lò hơi nhà máy nhiệt điện trong Trung tâm thí nghiệm - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên. Mô phỏng và thực nghiệm để kiểm chứng bộ điều khiển. - Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để cải thiện chất lượng điều khiển và mô phỏng để kiểm chứng. Kết luận chƣơng 1 Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau: - Tổng quan được những nét cơ bản nhất về nhà máy nhiệt điện.

- Lựa chọn được đối tượng nghiên cứu là áp suất bao hơi - Lựa chọn phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để điều khiển áp suất bao hơi trong lò hơi nhà máy nhiệt điện. Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về áp suất bao hơi, trong chương 2 sẽ đi sâu nghiên cứu về áp suất bao hơi, làm cơ sở để mô tả toán học. 18 Chƣơng 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC CHO ĐỐI TƢỢNG ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 2. Đặt vấn đề Mô tả toán học của đối tượng là đưa đối tượng về một dạng mô hình toán nào đó.

Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng.