Điều khiển tối ưu quá trình cháy lò hơi

- Lò hơi sử dụng nhiên liệu phun 14 2.6.
- Nhiên liệu và sản phẩm cháy của nhiên liệu 15 3.2.
- Các giai đoạn của quá trình đốt cháy nhiên liệu 16 3.3.
- Quá trình sấy nóng và sấy khô nhiên liệu 17 3.4.
- Quá trình vận hành hệ thống cấp hỗn hợp nhiên liệu cho lò hơi 21 5.
- Bài toán điều khiển tối ưu 23 3.1.
- Điều khiển tối ưu tĩnh 23 3.2.
- Điều khiển tối ưu động 34 4.
- Hàm truyền đạt của van nhiên liệu 52 2.4.
- Hàm truyền đạt của cảm biến đo lưu lượng không khí và lưu lượng nhiên liệu 53 2.5.
- Tính toán tham số mạch vòng điều chỉnh lưu lượng nhiên liệu 57 Chương IV: Mô phỏng hệ thống bằng matlab simulink 58 1.
- Mô phỏng hệ thống 59 Kết luận 64 Tài liệu tham khảo 65 Luận văn thạc sỹ 6 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Quá trình hóa hơi đẳng áp Hình 1.2: Sơ đồ khối minh họa cấu trúc của lò hơi Hình 1.3: Minh họa cơ cấu gia nhiệt cho nước và không khí đầu vào Hình 1.4: Mặt cắt của một lò hơi ống lửa Hình 1.5: Giản đồ lò hơi ống nước Hình 1.6: Buồng lửa ghi cố định Hình 1.7: Buồng lửa ghi di động Hình 1.8: Đốt cháy theo phương tiếp tuyến ở nhiên liệu phun Hình 1.9: Giản đồ lò hơi sử dụng nhiệt thải Hình 1.10: Quan hệ giữa nhiệt lượng tỏa ra với hệ số không khí thừa Hình 2.1: Đồ thị hàm mục tiêu Hình 2.2: Minh họa công thức biến phân Hình 2.3: Mô tả nguyên lý tối ưu Bellman Hình 2.4: Nguyên lý cực đại là trường hợp tổng quát của công thức biến phân Hình 3.1: Sơ đồ điều khiển quá trình cấp hơi của lò hơi Hình 3.2: Sơ đồ công nghệ điều khiển quá trình cháy Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc hệ thống Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng lưu lượng không khí Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng lưu lượng nhiên liệu Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng hệ thống cấp không khí Hình 4.2: Đáp ứng của hệ thống cấp không khí Hình 4.3: Sơ đồ mô phỏng hệ thống cấp nhiên liệu Hình 4.4: Đáp ứng của hệ thống cấp nhiên liệu Hình 4.5: Sơ đồ mô phỏng hệ thống cấp hỗn hợp nhiên liệu Hình 4.6: Biểu đồ tín hiệu đặt nhiên liệu cho hệ thống Hình 4.7: Đáp ứng của hệ thống theo tín hiệu đặt Luận văn thạc sỹ 7 MỞ ĐẦU 1.
- Lò hơi và mạng nhiệt là khu vực tiêu thụ đáng kể các loại nhiên liệu như than, dầu, khí đốt.
- Chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu trong buồng đốt thành nhiệt năng.
- Tại phần đốt, trước khi vào buồng đốt, nhiên liệu được trộn với không khí theo tỷ lệ thích hợp để đạt được hiệu suất cháy tối ưu.
- Khí thải của quá trình đốt hỗn hợp nhiên liệu và không khí vẫn còn tích một lượng lớn nhiệt, do đó trên đường dẫn khí thải được bố trí thêm các cơ cấu trao đổi nhiệt với đường ống dẫn nước và đường dẫn khí vào.
- Việc gia nhiệt cho không khí có tác dụng giảm mức tổn hao nhiên liệu cung cấp cho quá trình cháy.
- Luận văn thạc sỹ 10 Hình 1.3: Minh họa cơ cấu gia nhiệt cho nước và không khí đầu vào Lò hơi bao gồm các bộ phận chính sau: Bao hơi, van hơi chính, đường nước cấp, đường cấp nhiên liệu, buồng lửa là không gian để đốt cháy tất cả nhiên liệu cấp vào lò, phễu tro lạnh để làm nguội các hạt tro xỉ trước khi thải ra ngoài trong trương hợp thải xỉ khô, giếng xỉ để hứng tất cả xỉ thải ra ngoài, bơm nước cấp, ống khói, bộ sấy không khí, quạt gió, bộ hâm nước, dàn ống nước xuống, dàn ống nước lên, dãy feston - dàn ống sinh hơi và bộ quá nhiệt, bộ lọc bụi để tránh mài mòn cánh quạt khói.
- Các lò hơi này có thể sử dụng với dầu, ga hoặc các nhiên liệu lỏng.
- Lò hơi buồng lửa tầng sôi Lò hơi buồng lửa tầng sôi (FBC) gần đây nổi lên như một lựa chọn khả thi và có rất nhiều ưu điểm so với hệ thống đốt truyền thống, nó mang lại rất nhiều lợi ích như thiết kế lò hơi gọn nhẹ, nhiên liệu linh hoạt, hiệu suất cháy cao hơn và giảm thải các chất gây ô nhiễm độc hại như SOx và NOx.
- Nhiên liệu đốt của những lò hơi loại này gồm có than, vỏ trấu, bã mía, và các chất thải nông nghiệp khác.
- Luận văn thạc sỹ 12 Khi vận tốc không khí tăng thêm sẽ tạo ra bong bóng, chuyển động nhanh, pha trộn mạnh và tạo ra bề mặt nhiên liệu đặc.
- Nếu các hạt cát ở trạng thái sôi được đun tới nhiệt độ than có thể bốc cháy và than được cấp liên tục vào, khi đến lớp nhiên liệu than sẽ bốc cháy tức thì và lớp nhiên liệu đạt được nhiệt độ đồng đều.
- Nhiệt độ cháy thấp hơn đạt được là do hệ số truyền nhiệt cao nhờ sự pha trộn nhanh ở tầng sôi và sự thoát nhiệt hiệu quả từ lớp nhiên liệu qua những ống truyền nhiệt trong lớp nhiên liệu và thành của tầng nhiên liệu.
- Vận tốc khí được duy trì ở giữa khoảng vận tốc sôi tối thiểu và vận tốc các hạt nhiên liệu bị cuốn theo.
- Điều này giúp đảm bảo sự vận hành ổn định của lớp nhiên liệu và tránh việc các hạt bị cuốn theo vào dòng khí.
- Lò hơi đốt ghi Buồng lửa được chia tuỳ theo phương pháp cấp nhiên liệu cho lò và kiểu ghi lò.
- Lò hơi sử dụng nhiên liệu phun Hầu hết các nhà máy nhiệt điện (than) đều sử dụng lò hơi dùng nhiên liệu phun, và rất nhiều lò hơi ống nước công nghiệp cũng sử dụng loại nhiên liệu phun này.
- Hình 1.8: Đốt cháy theo phương tiếp tuyến ở nhiên liệu phun Than nghiền được phun cùng với một phần khí đốt vào dây chuyền lò hơi thông qua một số vòi đốt.
- Khi nhu cầu hơi cao hơn lượng hơi tạo ra từ Luận văn thạc sỹ 15 nhiệt thải, có thể sử dụng lò đốt nhiên liệu phụ trợ.
- Nhiên liệu và sản phẩm cháy của nhiên liệu a.
- Khái niệm: Nhiên liệu là những vật chất khi cháy tỏa ra nhiệt năng.
- Trong công nghiệp, nhiên liệu phải đạt được các yêu cầu sau: có nhiều trong tự nhiên, dễ khai thác, giá thành rẻ, khi cháy không sinh ra những chất nguy hiểm.
- Trên thế giới hiện nay, nguồn nhiên liệu chủ yếu là nhiên liệu hữu cơ dưới ba dạng rắn, lỏng, khí.
- Những nhiên liệu này có thể có sẵn trong tự nhiên hoặc nhân tạo.
- Thành phần hóa học của nhiên liệu Nhiên liệu bao gồm những chất có khả năng oxy hóa gọi là chất cháy và những chất không có khả năng oxy hóa gọi là chất trơ.
- Lượng cacbon trong nhiên liệu càng nhiều thì nhiệt trị của nhiên liệu càng cao.
- Hydro là thành phần cháy quan trọng của nhiên liệu, khi cháy tỏa ra nhiệt lượng khoảng 144.500 kJ/kg, và dễ bắt lửa nhưng lượng hydro trong nhiên liệu lại rất ít.
- Oxy và Nitơ là những chất cháy vô ích trong nhiên liệu.
- Sự có mặt của chúng làm giảm thành phần cháy của nhiên liệu nên làm cho nhiệt trị của nhiên liệu giảm xuống.
- Các chất trơ Độ ẩm là thành phần có hại, không những không cháy và tỏa nhiệt mà còn tiêu tốn nhiệt năng để bốc hơi, làm tăng nhiệt độ đọng sương của khói, nhất là khi đốt nhiên liệu có nhiều lưu huỳnh.
- Tro ngoài là những chất rắn lẫn vào nhiên liệu trong quá trình khai thác, vận chuyển và bảo quản nhiên liệu, còn tro trong là thành phần chất rắn không cháy được có ngay trong quá trình hình thành nhiên liệu.
- Các giai đoạn của quá trình đốt cháy nhiên liệu Từ khi đưa vào buồng lửa đến khi đốt cháy hết nhiên liệu đã trải qua một quá trình thay đổi về vật lý và hóa học rất phức tạp xen kẽ lẫn nhau, nói chung có thể chia lam mấy giai đoạn chính như sau.
- Đối với nhiên liệu lỏng không có giai đoạn tạo cốc và tạo xỉ.
- Với nhiên liệu khí chỉ có giai đoạn sấy nóng và cháy.
- Quá trình sấy nóng và sấy khô nhiên liệu Khi nhiên liệu được đưa vào buồng lửa đang vận hành, lập tức nhận được nhiệt từ không khí nóng, từ sản phẩm cháy, từ lớp than đang cháy, từ vách tường của buồng lửa v.v.
- Khi nhận được nhiệt nhiên liệu được sấy nóng và sấy khô.
- Nhiệt độ của nhiên liệu tăng dần, lượng ẩm trong nhiên liệu cũng được nhận nhiệt, nhiệt độ tăng dần và bốc hơi với cường độ mạnh dần.
- Nhiên liệu có nhiệt độ ban đầu càng thấp, độ ẩm càng cao thì nhiệt lượng cần để sấy càng nhiều, thời gian sấy càng dài, lượng không khí cần cũng nhiều.
- Mỗi loại nhiên liệu bắt đầu thoát chất bốc ở nhiệt độ khác nhau.
- Những loại nhiên liệu chứa nhiều mêtan như dầu madút, khí thiên nhiên, khi cháy hình thành nhiều hạt muội than nóng đỏ tạo thành ngọn lửa sáng và tăng khả năng truyền nhiệt bức xạ của ngọn lửa.
- Ở một nhiệt độ nhất định, tốc độ cháy phụ thuộc vào nồng độ chất cháy được trong hỗn hợp nhiên liệu và không khí.
- Nhiệt độ bắt lửa của các loại nhiên liệu không giống nhau.
- Như vậy để nhiên liệu có thể cháy triệt để cần có các điều kiện sau.
- Thời gian lưu lại trong buồng lửa của nhiên liệu đủ dài.
- Nếu nhiệt độ trong buồn lửa thấp thì phản ứng cháy chậm, đòi hỏi thời gian lưu lại trong buồng lửa dài thì hạt nhiên liệu mới kịp cháy hết trước khi ra khỏi buồng lửa.
- Nhiệt độ buồng lửa không chỉ phụ thuộc vào số lượng và chất lượng nhiên liệu đưa vào mà còn phụ thuộc rất nhiều vào lượng không khí và khả năng tiếp xúc giữa không khí với nhiên liệu.
- Nếu không khí đưa vào vừa đủ, tức hệ số không khí thừa α = 1, đồng thời hỗn hợp tốt thì nhhiệt lượng tỏa ra ứng với 1 kg hỗn hợp nhiên liệu và không khí là lớn nhất (hình 1.9) Luận văn thạc sỹ 19 Hình 1.10: Quan hệ giữa nhiệt lượng tỏa ra với hệ số không khí thừa Nếu thiếu không khí, tức là α < 1 thì phản ứng cháy không hoàn toàn, nhiệt lượng tỏa ra ít hơn.
- Nếu α > 1 thì hỗn hợp loãng, lượng nhiên liệu trong 1 kg hỗn hợp ít, nên nhiệt lượng phát ra ít, nhiệt độ trong buồng lửa thấp, cháy chậm và dễ cháy không hoàn toàn.
- Không khí có thể đưa vào cùng một lúc với nhiên liệu hoặc đi qua lớp nhiên liệu, lượng không khí này thường gọi là gió cấp một, cũng có thể đưa riêng thêm sau để cháy kiệt nhiên liệu, cải thiện quá trình cháy, lượng không khí này thường được gọi là gió cấp hai.
- Tỉ lệ gió cấp một và cấp hai cũng phụ thuộc vào tính chất của nhiên liệu và cách đốt.
- 187 0C - Công suất: 4.670 kG/h - Nhiên liệu sử dụng: Than Antraxít - Công dụng: sản xuất hơi bão hòa * Các thông số của nhiên liệu.
- Dung tích nước: 3,4 m3 Với các thông số của nhiên liệu đã cho, thể tích không khí lý thuyết để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu là V0kk = 0,0889(Clv + 0,375*Slv.
- Quá trình vận hành hệ thống cấp hỗn hợp nhiên liệu cho lò hơi Lò hơi của công ty đưa vào vận hành từ năm 1975 đến nay các hệ thống điều khiển tự động đều đã hỏng.
- Khi cần tăng nhu cầu tải thì người vận hành sẽ điều chỉnh tăng lượng nhiên liệu và lượng không khí dựa theo kinh nghiệm vận hành.
- Khi cần giảm phụ tải thì giảm bớt lượng không khí cấp rồi căn cứ theo ngọn lửa để giảm lượng nhiên liệu.
- Với phương thức vận hành như vậy gây lãng phí nhiều nhiên liệu nhưng không đạt được hiệu suất lò cao nhất.
- Do đó nhu cầu cải tạo hệ thống cung cấp hỗn hợp nhiên liệu để đảm bảo tỉ lệ nhiên liệu và không khí phù hợp đảm bảo hiệu suất cháy cao nhất là rất cần thiết.
- Kết luận: Quá trình vận hành lò hơi của công ty Thuốc lá Thăng Long liên tục 24 giờ/ngày nên với mỗi người vận hành thì lượng nhiên liệu cung cấp cho lò hơi cũng khác nhau và tỷ lệ nhiên liệu/không khí phụ thuộc và kinh nghiệm vận hành của người vận hành.
- Việc vận hành như vậy sẽ gây ra sự lãng phí nhiên liệu nhưng không đạt được hiệu quả cao nhất.
- Trong khuôn khổ luận văn, ta sẽ nghiên cứu để thiết kế bộ điều chỉnh cấp nhiên liệu cho quá trình cháy của lò hơi, nghĩa là khi có tín hiệu đặt giá trị lưu lượng nhiên liệu từ bộ điều khiển phụ tải của lò hơi thì bộ điều khiển quá trình cháy sẽ điều khiển việc cấp nhiên liệu và không khí theo tỉ lệ cho trước để đảm bảo quá trình cháy tối ưu.
- Việc có bộ điều chỉnh cấp nhiên liệu cho quá trình cháy sẽ đảm bảo tỷ lệ nhiên liệu và không khí luôn đạt giá trị tối ưu, không bị ảnh hưởng nhiều do kinh nghiệm vận hành của người vận hành do đó sẽ giảm được bớt nhiên liệu tiêu hao không cần thiết.
- Như vậy, mục tiêu của luận văn là thiết kế bộ điều khiển có các bộ thông số tối ưu để điều khiển quá trình cháy diễn ra trong buồn lửa lò hơi công ty Thuốc lá Thăng Long sao cho tỷ lệ cấp nhiên liệu/không khí α cho lò hơi luôn đạt giá trị tối ưu, giá trị này có thể thay đổi bằng tay bởi người vận hành trong suốt quá trình vận hành bình thường.
- Tín hiệu đầu vào là tín hiệu lưu lượng nhiên liệu và tín hiệu đầu ra là tín hiệu lưu lượng không khí và tín hiệu lưu lượng nhiên liệu.
- Bài toán tối ưu cực tiểu.
- Bài toán tối ưu cực đại.
- Điều khiển tối ưu tĩnh.
- Điều khiển tối ưu động.
- Vậy điểm tối ưu u.
- nhưng không phải là nghiệm tối ưu.
- ttp Vậy tín hiệu điều khiển tối ưu của bài toán là ()1−=tu 4.
- Như vậy bài toán đặt ra là cần có bộ điều cấp nhiên liệu với các tham số tối ưu để điều khiển tỷ lệ nhiên liệu/không khí cấp cho lò hơi đảm bảo quá trình cháy hỗn hợp nhiên liệu và không khí đạt hiệu quả tối ưu trong suốt quá trình vận hành.
- Hình 3.1: Sơ đồ điều khiển quá trình cấp hơi của lò hơi Khi lò hơi đang vận hành ở chế độ ổn định (áp suất bao hơi bằng với áp suất đặt), lượng nhiên liệu và không khí cấp cho quá trình cháy để sinh hơi làm việc cân bằng.
- Khi ta tăng nhu cầu phụ tải lên, lượng hơi sử dụng tăng lên dẫn tới áp suất hơi trong bao hơi giảm xuống lúc đó lượng hơi nước sẽ thoát ra nhiều hơn, khi đó bộ điều chỉnh phụ tải sẽ đưa tín hiệu tăng nhiên liệu cấp cho bộ điều chỉnh cấp nhiên liệu.
- Bộ điều chỉnh cấp nhiên liệu sẽ nhận tín hiệu tăng nhiên liệu từ bộ điều chỉnh phụ tải và điều chỉnh tăng lượng nhiên liệu và không khí cấp cho quá trình cháy với tỉ lệ hỗn hợp nhiên liệu đặt bằng tay.
- Do nhu cầu trước mắt là cần có bộ điều chỉnh cấp nhiên liệu đảm bảo hỗn hợp nhiên liệu và không khí luôn đạt giá trị tối ưu, ít bị ảnh hưởng bởi kinh nghiệm vận hành nên trong khuôn khổ luận văn sẽ chỉ nghiên cứu để tổng hợp bộ điều chỉnh cấp nhiên liệu cho lò hơi.
- Bộ điều chỉnh cấp nhiên liệu này sẽ có bộ tham số tối ưu và giá trị đặt lưu lượng nhiên liệu sẽ do người vận hành đặt trong quá trình vận hành.
- LÒ HƠI Bộ điều chỉnh phụ tải Bộ điều chỉnh cấp nhiên liệu Đo áp suất bao hơi và lưu lượng hơi Đặt áp suất bao hơi Luận văn thạc sỹ 50 Với yêu cầu công nghệ bộ điều chỉnh cấp nhiên liệu sẽ bao gồm hai mạch vòng hoạt động độc lập với nhau điều khiển lưu lượng không khí và lưu lượng nhiên liệu.
- Tín hiệu vào: là tín hiệu lưu lượng nhiên liệu cần cấp cho quá trình cháy nhân với hệ số K (hệ số tỉ lệ không khí và nhiên liệu.
- Mạch vòng 2 - Mạch vòng thứ 2 là mạch vòng ổn định lưu lượng nhiên liệu gồm hai tín hiệu.
- Tín hiệu vào: là tín hiệu lưu lượng nhiên liệu cần cấp cho quá trình cháy.
- Tín hiệu phản hồi: là tín hiệu lưu lượng nhiên liệu cấp cho quá trình cháy 1.3.
- Sơ đồ công nghệ Từ yêu cầu trên ta có sơ đồ công nghệ như sau: Hình 3.2: Sơ đồ công nghệ điều khiển quá trình cháy * Lựa chọn luật điều khiển cho bộ điều khiển van gió và van nhiên liệu Với vòng điều khiển lưu lượng không khí và lưu lượng nhiên liệu quá trình và cảm biến lưu lượng đều khá nhanh và thời gian trễ nhỏ, đặc tính động học của đối Bộ điều chỉnh van gió Van gió Cảm biến đo lưu lượng gió Bộ điều chỉnh van nhiên liệu Van cấp nhiên liệu K Quá trình cháyCảm biến đo lưu lượng nhiên liệu Đặt lưu lượng nhiên liệu Luận văn thạc sỹ 51 tượng phụ thuộc chủ yếu vào van điều khiển.
- GNL(s): hàm truyền đạt van nhiên liệu Gs1(s): Hàm truyền đạt cảm biến lưu lượng gió Gs2(s): Hàm truyền đạt cảm biến lưu lượng nhiên liệu KI/P: Bộ chuyển đổi dòng điện khí nén K: Hệ số nhiên liệu và không khí K ≈ 10,13 RF1(s), RF2(s): các bộ điều chỉnh sử dụng luật PI * Tóm tắt hoạt động của sơ đồ: Khi có tín hiệu nhiên liệu đưa tới đầu vào, tín hiệu sẽ được đưa tới hai bộ điều khiển lưu lượng không khí và lưu lượng nhiên liệu.
- Tín hiệu đưa vào bộ điều chỉnh nhiên liệu được nhân thêm hệ số K được đặt bằng tay là tỷ lệ nhiên liệu và không khí.
- Tín hiệu nhiên liệu sau khi đưa vào các bộ điều chỉnh được sử lý và bộ điều chỉnh đưa ra tín hiệu cho bộ chuyển đổi dòng điện khí nén.
- Tính toán các tham số bộ điều chỉnh GVG(s) KI/P RF1(s) Quá trình cháy GNL(s) KI/P RF2(s) Gs1(s) K Gs2(s) Đặt nhiên liệu Luận văn thạc sỹ 52 2.1.
- Hàm truyền đạt của van nhiên liệu Luận văn thạc sỹ 53 ()svNLNLesTKsGτ−+=1 Khi tín hiệu vào thay đổi từ 0,2 ÷ 1KG/cm2 thì độ mở của van thay đổi từ 0 ÷ 100%, khi đó hệ số khuếch đại của van là NLKG/cmmë dé % ,K 125201100 Khi độ mở của van thay đổi từ 0 ÷ 100% thì lưu lượng nhiên liệu qua van thay đổi từ 0 ÷ 472 kg/h.
- Từ đó hệ số truyền của sự liên hệ giữa lưu lượng nhiên liệu qua van và độ mở của van là: ⎥⎦⎤⎢⎣⎡==më éd %h/kg,KT724100472 Kết hợp các hàm truyền ở trên ta có hàm truyền đạt với tín hiệu vào là áp suất khí nén và tín hiệu ra là lượng nhiên liệu cấp qua cơ cấu van cm/KGh/gk essGs-NL 2.4.
- Hàm truyền đạt của cảm biến đo lưu lượng không khí và lưu lượng nhiên liệu Đường đặc tính của cảm biến đo lưu lượng không khí là một đường thẳng tuyến tính giữa lưu lượng không khí và dòng điện do chênh áp sinh ra

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt