Giáo trình Điều khiển các quá trình công nghệ: Phần 2

Chia sẻ: Túcc Vânn | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:181

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nối tiếp nội dung phần 1, phần 2 cuốn giáo trình "Điều khiển các quá trình công nghệ" trình bày các nội dung: Điều khiển quá trình nồi hơi; điều khiển quá trình sản xuất giấy, điều khiển quá trình gia công dầu mó, điều khiển quá trình sản xuất xi măng. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điều khiển các quá trình công nghệ: Phần 2

4 Điều khiển quá trình nôi hơi Nồi hơi là nguồn năng lượng cơ bàn cho quá trình phát điện cũng như cung cấp nhiệt năng cho các ngành công nghiệp ch ế biến cũng như sưỏi ấm trong dân dụng. Chương này trình bày về các vấn đề cơ bán của hệ thống điều khiến nồi hơi như xây dựng mô hình cùa nồi hơi, xây dựng mô hình tuyến tính hóa tại điềm làm việc, các bài toán điều khiến trong quá trình nồi hơi bao gồm: điều khiển lượng nước cấp, điều khiến lượng nhiên liệu và không khí, điều khiển áp suất và nhiệt độ cùa hơi bão hòa đầu ra. 4.1 K hái niệm về nồi hơi Nồi hơi (boiler) là một hệ thống rất quan trọng dùng trong công nghiệp để sản xuất hơi nưóc bão hòa dùng cho các m ục đích sau đây: • Dùng đ ế cấp hơi cho các tuabin hơi trong các nhà máy nhiệt điện sản xuất điện năng sử dụng năng lượng than đá, dầu, năng lượng hạt nhân và cả năng lượng nhiệt từ ánh nắng mặt trời. • Dùng cho công nghệ hấp, sấy, gia nhiệt cho các nguyên nhiên vật liệu và sản phẩm. • Dùng trong công nghiệp sưởi ấm cho các khu dân cư ... Urns_______ ► Quá trình nước hóa hơi Nhiên liệu nhiên liệu Bề mặt Không khỉ và không Lò đốt truyền khí nhiệt Hình 4-1 cãu trúc cơ bản cùa nồi hơi 211
Điều khiển quá trình nồi hoi c ấ u trúc hệ thống nồi hơi như Hình 4-1, trong đó bao gồm hai hệ thống cơ bản, một là hệ thống nước và hoi (steamwater system) và hai là hệ thống trao đổi nhiệt. Hệ thống nước và hơi có đầu vào là nước, đầu ra là hơi nước bão hòa. Hệ thõng trao đổi nhiệt bao gồm phần trộn nhiên liệu và không khí (mixing o f fu el and air), lò đốt {furnace) và bề mặt truyền nhiệt (heat transfer surface), đâu vào là nhiên liệu và không khí và đầu ra là khí thải và tro ựlue gas and ash). Bề mặt truyẽn nhiệt sẽ dẫn nhiệt từ lò đốt đến trao đổi nhiệt với hệ thống nước và hơi. Các nồi hơi dùng cho mục đích động lực thường có năng suất và áp suất hơi cao (năng suất từ vài chục đêh hàng trăm tãn/h, áp suãt vài chục kg/cm2). Các nồi hơi dùng cho hai m ục đích sau thường có năng suất và áp suất nhò hơn()iổHg suãt đêh vài chục tãn/h, áp suãt 8 - 2 3 kg/cm2). Về nguyên lý thiết kế, các nồi hơi có hai kiểu cơ bản là: • Nguồn nhiệt đi trong chùm ống, nước bao quanh ựire-tube) Khí thải Chùm ổng Buồng đốt lireDox) Hình 4-2 Nguyên lý cùa nói hơi fire-tube (bên trái) và luater-tube (bên phái) Noi hơi fire - tube có dòng nhiệt đi trong các ống (tube), các ống này ngập trong nước, nhiệt sẽ truyền đến nước và sinh hơi (nguyên lý giôhg như ãm điện dùng dây mayso). Nồi hơi dạng này có công suất nhỏ, năng suất khoảng 11 - 1 2 tãn/h, áp suất hơi đến 250 psi (17,5 kg/cm 1). Do đó ít được sừ dụng rộng rãi trong công nghiệp. • Nước đi trong chùm ống, nguồn nhiệt bao quanh (water-tube) Nồi hơi dạng này có cấu trúc ngược lại so với fire - tube, lúc này nước sẽ đi qua chùm ống và nhiệt bao quanh, cấu trúc dạng này cho phép sản xuất được hơi có áp suất và nhiệt độ cao cũng như hiệu suất sử dụng nhiệt lớn, nên được dùng phổ biến. Có thê’ phân loại nồi hơi theo nguồn nhiệt, khi đó có thê’ phân loại thành • Các nồi hơi có buồng đốt nhiên liệu: các nồi hơi sử dụng nguyên nhiên liệu đõt trực tiếp và sinh ra hoi. Đối với các nồi hơi có buồng đốt nhiên liệu, có thê’ dùng các loại nhiên liệu khác nhau: than, than bụi, nhiên liệu khi, lòng.
• Các nồi hơi sử dụng nhiệt thừa: nồi hơi sử dụng nhiệt thừa từ các quá trình khác ví dụ như hơi sau khi đã sấy, khi thu về vẫn còn nhiệt và năng lượng, ta sử dụng hơi này bằng cách gia nhiệt thêm vào tạo thành hoi và chạy máy phát điện nội bộ. Nồi hơi dạng này thường có ở các nhà máy sản xuất giấy, phân bón, hấp sấy quần áo, trong công nghệ có những thiết bị nhiệt mà lượng nhiệt do khí thài (sản vật cháy) m ang theo rẩt lớn, có thế tận dụng đề sản xuất hơi. Ví dụ: lượng nhiệt sau các lò luyện thép. Đối với các nồi hơi có buồng đốt nhiên liệu, có thể dùng các loại nhiên liệu khác nhau: than, than bụi, nhiên liệu khí, lỏng. Ví dụ 4-1 Minh họa một quá trình sừdụng nồi hơi trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng than A . ' *5 ' Ong khói _ Hình 4-3 Mô hình nhà máy nhiệt điện sử dụng quá trình nôi hơi 4.2 Các thành phần cơ bản của nồi hơi Các thành phần cơ bân của nồi hơi dùng than như mô tả trên Hình 4-4, chú ý rằng trong sơ đồ hơi bão hòa sẽ đi đến m ột hộp đầu chung (header), đây là sơ đồ phổ biến trong công nghiệp nhiệt điện, trong một số nhà máy đặc biệt nồi hoi được nối trực tiếp với turbin, lượng tiêu thụ nhiên liệu được tính toán dựa trên áp suất ỡ hộp đầu chung hoặc áp suất trong bao hơi. Các nhà máy điều khiến tốc độ đốt nhiên liệu dựa trên nhu cầu về điện năng (tính bang megawat) hoặc là áp suất cúa hơi, tốc độ cháy phụ thuộc vào các hệ thống cụ thê’ [16]. Buồng đốt hay còn gọi là lò (combustion cham ber ỉfurnacc) dùng đ ể sinh nhiệt và tạo thành hệ trao đổi nhiệt. Có ba yếu tố quan trọng đối vói buồng đốt đó là thòi gian, nhiệt độ và các dòng xoáy khí trong lò. Bài toán điều khiển gió lò là bài toán duy tri áp suất âm trong buồng đốt và cân bằng gió lò. Tùy theo nhà sản xuất mà áp suất âm được quy định khác nhau, thông thường điểm đặt là -0.5 inchs (-1.27cm), điếm đặt có thế tăng lên đến 1 inchs ( 1.27cm) đ ể giám thiếu khá năng tắt lò. 213
Điều khiển quá trình nồi hoi H ình 4-4 Các thành ptìân cơ bản cùa tiôi hơi dùng than [16]. Than đá được đưa qua băng tải đi đến bộ nghiền thành bột m ịn, sau đó được phun vào buồng đốt sử dụng hai nguồn không khí trộn (không khí lạnh và không khí đã được gia nhiệt), nước được hâm nóng và đưa vào bao hơi, trao đối nhiệt và tạo thành hơi. Hình 4-4 minh họa các thành phân cơ bán cùa một nồi hơi dùng than đá, nồi hơi có một quạt hút (Induced Draft) và một quạt đẩy {forced Draft) hay còn gọi là quạt b ổ sung và quạt cưỡng bức. Các nồi hơi cỡ lớn có thê’ dùng 02 quạt hút và 02 quạt đấy. Quạt hút hút không khí từ buồng đốt ra ngoài nhằm duy tri áp suất âm trong buồng đốt, quạt đẩy đẩy không khí chứa oxy từ ngoài vào đ ể duy trì sự cháy. Hộp gió (windbox) phân phối nguồn gió thứ hai đến các mó đốt (burners), hộp gió có các m ắt gió (damper) điều chỉnh đê’ tạo dòng xoáy khí nhằm nâng cao hiệu quả cúa quá trình cháy. Nhằm giảm thiếu sự thất thoát nhiệt cùa khí thải m ột cách vô ích và nâng cao hiệu quả của nồi hơi người ra sử dụng bộ trao đổi nhiệt khí thải ựlue gas heat exchangers) đê’ lấy nhiệt và làm lạnh khí thải. Bộ gia nhiệt không khí trước khi đưa vào đốt (combustion air preheater) là m ột bộ phận trao đôi nhiệt như Hình 4-5, trước khi đưa ra ống khói đ ế thái ra ngoài, khí thải được dẫn qua bộ gia nhiệt không khí nhằm nung nóng không khí trước khi đưa vào trộn với nhiên liệu và phun vào buồng đõt. Vì khí thải có nhiệt độ cao hơn không khí cho nên nhiệt sẽ được truyền đến không khí thông qua bề mặt trao đôi nhiệt của bộ gia nhiệt. Khi không khí được gia nhiệt trước sẽ làm cho lượng tiêu thụ nhiên liệu giảm đi tương ứng với cùng một lượng công suất, do đó nâng cao
hiệu suất cùa lò, cứ tăng 4.4 "C nhiệt độ của không khí trước khi đưa vào buồng đõt ta có thể tiết kiệm được 1% lượng nhiên liệu tương ứng. Nước Hơi băo hòa Nhiên liệu Nồi hơi r ■\ Bỏ gia nhiệt /■ n Không khí J không Khi V Khí thải H ình 4-5 Bộ gia nhiệt kltông khí trước khi đưa vào bùông dot (air preheater) Bộ gia nhiệt nước trước khi đưa vào nồi hơi (economizer) làm nhiệm vụ sừ dụng nhiệt khí thải để hâm nước đưa vào nồi hơi nhằm tăng hiệu quà của nồi hơi và cũng giảm thất thoát nhiệt. Trước khi gia nhiệt cho không khí, khí thải sẽ dùng để gia nhiệt cho nước như m inh họa trên Hình 4-6. H ìn h 4-6 Bộ gia nhiệt nước trước khi dưa vào ríõi hơi (economizer) Bộ nung quá nhiệt (superheater) làm nhiệm vụ gia nhiệt thêm cho hoi đê’ loại bỏ hoàn toàn hơi ấm còn lại trong hơi qua đó nâng cao được chất lượng của hơi. Độ khô của hơi tính bằng phần trăm là chỉ tiêu đánh giá chất lượng cùa hơi, chất lượng cao nhất là 100% tương ứng với không còn hơi ẩm trong hơi hay nói cách khác là nước hóa hơi hoàn toàn. Hơi sừ dụng trong quá trình trao đối nhiệt là hơi báo hòa, do vậy nước ngưng tụ sẽ ờ trạng thái lỏng bào hòa. Tuy nhiên, do trong quá trình vận chuyên hơi đế tránh hiện tượng tắc ngẽn đường ống do hơi ngưng tụ trên ống người ta cân lắp thêm bộ quá nhiệt hơi và cách nhiệt thật tốt trên đường ống. 215
Điều khiển quá trình nồi hoi Hình 4-4 minh họa m ột nồi hơi dùng 01 bao hơi, trong thực tế nồi hơi có thế sử dụng hai bao hơi, một đê’ tạo hơi (upper drum, steam drum, water drum) và m ột đ ế lắng cặn (m ud drum, lower drum). Nước trước khi đưa vào nồi hơi mặc dù đã qua xử lý đ ể loại bỏ những chất rắn hòa trong nước, tuy nhiên vẫn có nh ữ ng cặn, lắng nhó còn lại trong nước. K hi qua bao hơi lắng cặn các chất cặn lắng đó sẽ được xả bỏ, quá trình xả có thể thực hiện bằng tay hoặc tự động. Nếu nồi hơi chỉ có một bao hoi thì quá trình này cũng sẽ thực hiện ờ bao hơi đó. Hơi nước H ìn h 4-7 Nói hơi sừ dụng 02 bao hơi V í dụ 4-2 Lưu đồ P& ỈD điển hình của m ột noi hơi 216
Nồi hoi áp lực (Pressure fired boilers): nồi hơi áp lực không cần quạt hút và có thể vận hành trong điều kiện áp suất dương ờ một số giai đoạn hoặc toàn bộ quá trình. Đối với nồi hơi kiểu này áp suất của lò thay đối vi tải thay đối phụ thuộc vào sự dao động cúa tải sử dụng hơi. Khi tốc độ cháy tăng lên sẽ cần nhiều không khí bơm vào bời quạt đấy qua đó áp suất trong buồng đốt sẽ tăng lên. Hình 4-9 sau minh họa cấu trúc của nồi hơi áp lực, điểm quan trọng đõi vói nồi hơi dạng này là buồng đốt phái kín gió (airtight) và hệ thống thải khí phải kín (gaslight), điều này Tất quan trọng vì không cho phép khi thải nóng cùa buồng đốt rò ri ra bên ngoài, dưới áp lực lớn như vậy có th ế gây nguy hại đến tường lò, nguy hiểm cho người vận hành. H ình 4-9 NSi hơi áp lực 4.3 M ô h ìn h quá trìn h n ồ i hơi Mô hình cùa quá trình nồi hơi là một quá trình rất phức tạp liên quan đến các quá trình truyền nhiệt, hóa hơi, quá trình chuyển đổi vật chất... Nồi hơi cũng như các đõi tượng nhiệt nói chung đêu có quán tính lớn và tính phi tuyến rõ rệt. Tính phi tuyến th ể hiện ở sự tồn tại của trễ vận chuyến và mơi lỉêxi liệ bên trung các t|uá trinh Ìihỉệi. D ế xây dựng mô hlnh nồi hơỉ td cân dùng rất nhiều các phương trình liên quan đến các hiện tượng vật lý như các phương trình chuyên hóa từ nước sang hơi, phương trình truyền nhiệt, phương trình truyền nhiệt trong các bộ nung quá nhiệt. Mô hình nồi hơi là một m ô hình rất phức tạp, đa biến và có tác động qua lại giữa rất nhiều đại lượng, nếu điều kiện làm việc thay đổi thì hệ phương trinh vi phân mô tả đối tượng sẽ thay đổi theo, trong đó đa phần được mô tả bằng phương trình vi phân đạo hàm riêng. Trong nồi hơi sự ảnh hường qua lại giữa các tham số công nghệ thê’ hiển khá rõ rệt mà nhiều trường hợp không thê bó qua, các tham số đâu vào, đầu ra cùa nó ảnh hường chặt chẽ với nhau. Có rất nhiều phương pháp xây dựng mô hình cho quá trình nồi hơi, trong tài liệu [18], [19] các tác giả đã mô tả khá đầy đù từ thành lập mô hình quá trình cháy, quá trình truyền nhiệt qua vách ngăn của dàn trao đổi nhiệt, truyền nhiệt trong các phần nung sơ bộ..., tuy nhiên mô hình này ít được sử dụng trong điều khiến vì có quá nhiều các tham số vật lý cần phái được xác định, mà các tham số này khó có thê’ xác định. Một số m ô hình sứ dụng phương pháp phân từ hữu hạn để xấp xi các phương trình vi phàn đạo hàm riêng, tuy nhiên chúng ít được dùng 217
Điều khiển quá trinh noi hơi trong điều khiến vì quá phức tạp. Astrom và Bell vào năm 2000 đã đưa ra m ột mô hình phi tuyến dùng ít tham số hơn và biếu diễn khá đúng động học nồi h ai trong m ột dải vận hành rộng [17], mô hình này được sử dụng khá nhiều trong điều khiến và các nghiên cứu về nồi hơi trong những năm gần đây. Do đó trong giáo trình này sẽ trinh bày m ô hình nồi hơi dựa trên tài liệu [17], các ký hiệu được giữ nguyên đ ế các bạn sinh viên có th ể tìm hiểu thêm một cách dê ràng với tài liệu tham khảo. 4.3.1 Các phư ơng trìn h c a b ả n của quá trìn h nồi hơi Hình 4-10 Mô tà sự túân hoàn của CỊUÌ trình nước - hơi trong ông lên (riser) và ông xuông (domticomer) Hình 4-10 mô tả quá trình tuần hoàn trong nồi hơi, nhiệt lượng Q được tạo ra trong quá trình cháy đưạ tới các õng lên, lực trọng trường sẽ đẩy hơi bão hòa lên và nước ờ ống xuống có nhiệt độ thấp hơn sẽ đi xuống và tạo thành m ột vòng tuần hoàn ở ống lên và ống xuống. Nước cấp sẽ được đưa tới bao hơi và hơi bão hòa sẽ được lấy từ bao hơi đưa đến phần nung quá nhiệt và đưa tới nơi sử dụng (tuabin khí của máy phát điện...). Khi có hơi dưới lớp nước trong bao hơi sẽ gây ra hiện tượng co dãn (shrink and swell). Trong thực tế m ô hình thực sẽ phức tạp hon về mặt hình học, có nhiều ống xuống và ống lên hơn trong hình vẽ. M ột tính chất quan trọng cúa nồi hơi đó là bài toán truyền nhiệt hiệu quả đ ế đun sôi và bài toán ngưng tụ. Tất cả các phần của hệ thống đều có mối liên quan đến hỗn hợp lỏng - hơi (licjuid-vapor mixture) tại điếm cân bằng nhiệt. Năng lượng được lưu giữ trong hơi và nước được giải phóng hoặc hấp thu một cách rất đột ngột khi áp suất thay đổi. Bảng 4-1 sau đây cho thấy sự phân bố năng lượng tích lũy trong các phần của nồi hơi của 02 nồi hơi tương ứng ỡ hai chế độ làm việc.
Báng 4-1 N ă n g lư ợ n g tích lũ y tro n g p h a n kim lo ại (ô h g lên, ô n g x u ô h g ...), n ư ớ c v à h ơ i củ a m ột s ố n ồi h ơ i Nồi hơí Phàn kim loại Nước Hơi Tổng P16-G16 80 MW 641 739 64 1444 P16-G16 160 MW 320 333 37 690 Era 330 MW 1174 303 60 1537 Era 660 MW 587 137 35 759 Tù báng này cho thấy năng lượng được tích lũy trong nước thường nhỏ hơn nhiều đối với các nồi hoi công suất lớn, điều này là do sự thay đối mức nước trong nồi. hơi công suất lớn tương đương như sự thay đối cúa điều kiện vận hành, do vậy bài toán điều khiến mức cho nồi hoi công suất lớn thường khó khăn hơn. Đ ế xây dựng m ô hình ta giả thiết các đầu vào là • Tổng nhiệt lượng sinh ra do quá trình đốt cháy nhiên liệu đưa tói các ống lên: Q(W); • Lưu lượng nước cấp cho bao hơi: qf (kg Ị s) ; • Lưu lượng hơi sinh ra m ong muốn theo yêu cầu công nghệ: q (kg Ị s) ; và các đầu ra cúa nồi hơi là • Áp suất trong bao hơi p (bar); • M ức nước trong bao hơi: l(m) ; Tiếp theo, giả thiẽt V là thê’ tích, p là khối lượng riêng, h là enthalpy, T là nhiệt độ và CỊ là lưu lượng. Các chỉ số dưới đi kèm đại diện: s là cho hơi, w cho nước, / là cho nước cấp và m là cho phần kim loại, ngoài ta ký tự thứ hai ờ chỉ số dưói nhằm phân biệt cho: f là tổng thế, d cho bao hol vầ I cho các Ống lên, mt là tông kho'1 lượng kim loại cùa bao hơl vầ các ớng klm loại, c là nhiệt dung riêng của kim loại. 4.3.1.1 Các p h ư ơ n g trin h cân b ằ n g Phương trình cân bằng tổng khối lượng ^ ( P , vst+ P w v wt) =
Điều khiến quá trình nôi hai vt = v st+ v wt (4.4) Vì chọn áp suất p là biến trạng thái, theo lý thuyết nhiệt-động lực học các biến p t , p w, hí , htũ là các hàm phụ thuộc áp suất p. Các hàm này không được viết dưới dạng tường minh mà ta cần phái tra bảng (bảng nhiệt động lực học, steam table). Từ các phương trình trên ta nhận được mô hình biến trạng thái bậc hai như sau với biến trạng thái là áp suất p và tổng thê’ tích nước trong nồi hơi V , như sau: dVw( dp e n M + e n d t ~ q' ~ qa (4.5) dVwt dp _ 6 72 dt 1 1 ~ s trong đó el2 - Au - Ps’e\\ - Vtt~ Ệ í + V w t~ Ệ !L’ dp dp «22 = PwK - P A (4 -6) df - ^ , ^ U J A + p w^ ) - v t + m t c p d-2 1 dp ởp ) \ ỏp ơp ) r ỏp Nhân (4.1) với h và trừ cho (4.3) ta được K J t (p .v« ) + PsVst ^ r + ^ v^ - vt ỉ +m tc P ^ f = Q - v ( ^ - hf ) - « A (4-7) với hc = h - h là enthalpy của phần ngưng tụ. Giả thiết m ức trong bao hơi được điều khiến ổn định, do đó thê’ tích hơi sẽ thay đổi nhỏ, bỏ qua những thay đổi nhò đó, ta có m ô hình xấp xỉ sau đây: =1 trong đó Thành phần Vj trong biểu thị cho quan hệ giữa năng lượng bên trong và enthalpy. Điều này cho thấy rằng sự thay đổi thành phần năng lượng của các nước và phần kim loại sẽ gây ra sự thay đổi động học cùa áp suất. Trong thực tế, các thành phần khác bên v ế phải của (4.9) khá nhó so enthalpy của nước và phần kim loại cho nên ta có thê’ xấp xi e, như sau: (4.10) Lưu lượng nước ngưng tụ được xác định là 1 ( dhs di\u dp 9ct qĩ + ^ [ p ‘ “ ' Ế * Pw "‘ i r ‘ ~dt +m ‘ ” 1 7 J ( 1 } 220
4.3.1.2 P hân b ố cùa hơi trong bao hơi và các ống lên Đê’ có được mô hình mà có thể biểu diễn chính xác hcm động học của mức nước trong bao hơi, chúng ta cân phải xem xét sự phân b ố cúa nước và hơi trong hệ thống. Sự phân phối lại cùa hơi và nước trong hệ sẽ gây ra hiện tượng co - dãn, hiện tượng này có nguồn gốc từ hành vi pha cực tiêu cùa động học mức trong bao hơi. • Chất lượng hỗn hợp bão hòa trong ống gia nhiệt Giá thiết ống được gia nhiệt đồng đều, gọi p ,q,A ,V ,h rân lượt là khối lượng riêng cùa hỗn hợp hơi - nước, lưu lượng đi qua ống, diện tích mặt cắt ngang của õng, thể tích và enthalpy riêng của hỗn hợp hơi - nước. Tất cả các đại lượng trên đều được phân b ố theo thời gian t, không gian 2 . Đê' đơn giản ta coi tất cả các đại lượng trên là như nhau tại mọi điểm cắt ngang cùa ống, do vậy chi còn phụ thuộc vào 2 và t. Các phương trình cân bằng năng lượng và khối lượng phần gia nhiệt cùa ống được viết là A & + ụ . 0, M +i M =£ (4.12) dt dz dt A dz V Giả thiết a,„ là tý lệ khối lượng của hơi trong hỗn hợp hơi - nưóc, là thông số đặc trứng cho chất lượng hơi, năng lượng cúa hỗn hợp hoi - nước là >' =
Điều khiển quá trình nồi hơi Sự truyền nhiệt giữa các pha cần phải được tính đến m ột cách rõ ràng. Điều này có th ế tránh được bằng cách viết kết hợp các phương trình cân bằng cho nước và hơi. Phương trình cân bằng tổng khối lượng cho phần õng lên là Ị k p A V r + P w (>- ã v ) K ) = 1 d c -9 r (418) at trong đó qr là lưu lượng tổng đầu ra của các ống lên và I]dc là tống lưu lượng đi vào. Phương trình cân bằng năng lượng cho phần õng lên là J l { p A " X + P w K (l- ã „ ) V r - p Vr + m rCpTs ) = Q + qJc\Â , - ( a rhc + h w)qr (4.19) • Lưu lượng tuần hoàn Đối vói lưu lượng của ống xuống của nồi hơi tuần hoàn cưỡng bức, ta coi qjc là biến điều khiển. Cân bằng m omen của vòng tuần hoàn ống lên - xuống là (Lr + Ldc) ^ = (pw- p s )ã vVr9 - ị - & - (4.20) dt 2 p wẠ ị c trong k là hệ số ma sát vô hướng, Lr.Lfc.A fc lân lượt là các chiều dài của các ống lên, ống xuống và diện tích của ống xuống. Đây là mô hình bậc nhất với hằng số thời gian ) pyu^dc (4 21) kUc Quan hệ ỡ trạng thái xác lập có thể biếu diễn là ~ Pw A iciPw ~ P s) 9^v^r (4-22) • Phân b ố của hơi trong bao hoi Gọi vsd,v wd lần lượt là th ế tích của hơi và nước dưới m ức nước trong bao hoi, lưu lưọng hơi đi qua bề mặt nước trong bao hơi là qsd . Phương trình cân bằng khối lượng cho hơi dưới bề mặt nước toong bao hoi là ~ ^ ÌP s^ sd ) ~ GrQr ~ Qsd ~Qcd (4-23) trong đó qcd là lưu lượng ngưng tụ được xác định bằng công thức q* = ~ \ L q i * T Ỉ { p ‘ v‘d l ! t + p " v" d ^ ~ (v‘d ~ v* d ^ ị + m iG r l t t ) (4'24) Phương trình thực nghiệm cho quan hệ (4.24) như sau: led ~ VKd) + a r
v wli = K t - V j c - ( ' - ã v K ( 4 .2 6 ) Ta có thế tuyến tính bằng cách sử dụng bề mặt ướt Ad tại mức nước vận hành như sau: L = v'“\ Vsd= L w + La (4.27) Ai 4.3.2 M ô hìn h quá trìn h n ồ i hơi 4.3.2.1 Lựa ch ọn các b iế n trạng thái Có nhiều cách đ ế lựa chọn biến trạng thái, lựa chọn biến trạng thái đê’ mô tả tốt nhất hành vi động học của quá trình liên quan đến năng lượng, mô men và cân bằng khối lượng. Do đó ta dùng các biến trạng thái là tổng lượng nước vwt, tổng năng lượng biểu diễn thông qua áp suất p, phần b ố hơi và nước biếu diễn qua hệ số khối lượng hơi a v và thế tích hơi là K ỉ 4.Ĩ.2.2 Đ ộng học của nước và áp su ất trong nồi hơi Động học của áp suất trong nồi hoi và nước được biếu diễn bằng phương trình (4.5) 4.3.2.3 Đ ộ n g học của các ốn g lên Các phương trình cân bằng khối lượng và năng lượng cúa các ống lên mô tả bằng phương trình (4.18) và (4.19), khừ biến lưu lượng đầu ra của các ống lên, qr , bằng cách nhân phương trình (4.18) với -(hy, + a rhc ) và cộng vào phương trình (4.19) ta được (4.28) ^ C p d- ị = Q - a rkcĩdc Biến đổi đơn gián hơn ta được K ( 1- a r) — (/V « v )+Pw (1 - ■«»)'K % - - ■*r‘\ ị. (,Pw (:1 -
Điều khiển quá trình nồi hcri (4.31) + a r (1 + P)v r -£-((1 - a v)p w + a vp a ) = Ệ-ịỵ?d - v s i ) + ^ h'± d.1 1d ' ' hc 4.3.2.5 M ô h ìn h dùng đê’ đ iều k h iến Tống kết lại với các tham số cùa quá trình nồi hơi là • T hế tích bao hơi: v^ím3) ; • Thế tích các ống lên: vr (m3); • Thê’ tích các ống xuống: vdc (ro3) ; • Diện tích mặt cắt ngang của bao hơi tại mức nước làm việc: Ạ/ím2) ; • Tổng khối lượng phần kim loại: mt (kg); • Tổng khối lượng phần ống lên: mr (kg) ; • Hệ số ma sát trong vòng tuần hoàn ống lên-xuống: k ; • Thời gian tồn tại cùa hơi trong bao hơi: Td (s); • Tham số p . Gọi vectơ biến trạng thái là X = [p,Vwt, a r ,Vsd]T , các biến đầu vào làu = [ ọ ,? /,9 s] r , ờ đây lưu lượng qs là đâu ra cúa quá trình nồi hơi, nhưng trong mô hình nó được coi làđầu vào, hay là tín hiệu đo lun lượng hơi, nhiệt lượng Q (đ ư ợ c x á c đ ịn h th ô n g q u a lư u lu ợ n g n h iê n liệu , k h ô n g khí, thành phan nhiên liệu ) và lưu lượng nước cấp
K = K - K , . eiI = All - P s ’e 12 = Kill “T 2 1 + Krf - A • op op C21 = A A i - A A c 33 = ( ( 1 - “ r ) P., + « ,-P w ) J - 2-
Điều khiển quá trình nồi hơi bậc bốn (((V'wi.p).“ r).V'*i) biểu diễn động học của hơi phía dưới bề m ặt nước trong bao hơi, biếu diễn càn bằng khối lượng của hơi dưới mặt nước trong bao hoi. Các tham số của nồi hơi tại điếm làm việc cân bằng được xác định như sau: IsO - 9/0 Qo - QsoK o - 1/o^fo Qo = 1dra rhc. (4-35) ,, r0 Td[K-h,) sdữ Kd Aỉc {Pw Ps ) qdc ' V K Xác định a r,.Q bằng cách giải phương trinh sau: „ _ _ I2 PwoAfc (Ãvõ P.10) 9a voK Qo - a rO\ữd----------------- jl------------------- (4.36) 5„0= [\~Ị ----- £ 4 - ---- lníl + Pw0~ A(lg,,,ìì Pv/ữ Psữ V (PwO Psữ /a rữ V P sồ )) Ví dụ 4-3 Cho quá trình nồi h ơi có các tham số: t h ể tích bao hơi vd = 20.204 m 3, t h ế tích cá c Ống lên Vr = 20 m 3, t h ể tích c á c Ống x u ố n g V fc = 0 .9 m 3, d iệ n tíc h b ề m ặ t n ư ớ c tạ i m ứ c n ư ớ c là m v iệ c t r o n g b a o h ơ i l à Ạ i = 14.7 m 2 , d iệ n tích các Ống xuống A,1C =0.0637 m 2 , khối lượng các ống lên mr = 1300 kg, kliôĩ lư ợng bao hơ i md = 1363 kg, khối lư ợng các p h ầ n kim loạ i k h á c mk = 96225 kg, k = 2 5 ,0 = 0.3,Vsd0 = 2 m ? ,C p = 550. H ã y x á c đ ịn h đ iểm làm v iệc cân bằng của noi h ơ i tại á p su ất p0 = 4.55 b a r ,g iả tliiêl nhiệt đ ộ của n ư ớc cấ p là 104 ° c . Cách tính Diềm làm việc căn bằng của tìôi hơi đirợc xác định từ phươĩtg trình m ô hình (4.32) tại điếm x ác lập, hay là d p id t = 0,dV wt/ d t = 0, d a r / d t = 0, Vad / d t = 0, tại á p su ất P q = 4.55 b a r , ta xác đ ịn h các g iá trị tại đ iểm làm vwl0 = 21.501 m 3, a r0 = 0.0098%, v ,d0 =1.378 m 3, Lf, = 0.9127 m Ví dụ 4-4 Cho quá trình nồi hơi n hư ví dụ 4-3, hãy x ác định m ô hình tuyến tính cùa quá trình tại điểm làm việc với các đâu vào là Q ,q j,q a ; đãu ra là áp suất p và mức nước trong bao hơi L. S ử dụng công cụ M atlab - Sim ulittk theo hư ớng dẫn ở Chương 3. Trước hcì ta cần phải viêt m ô hình (4.32) dưới dạng m .file như sau: function y=DrumBoiler(Q,qf,qs,p,Vwt,Alpha,Vsd) % Cac dau vao cua mo hinh/Q = Nhiet luong dua vao he thong (W), qf = Luu luong % nuoc cap (kg/s), qs = Luu luong hoi (kg/s),p = Ap suat (bar),Vwt * Tong the tich % nuoc (m3), Alpha = he so Chat luong hoi (%), Vsd = The tich hoi duoi be mat nuoc % (m3),Cac tham so vat ly cua qua trinh noi hoi Vd=20.204; %The tich bao hoi (m3) Vr=20; %The tich cac ong len (m3) Vdc=0.9; %The tich cac ong xuong (m3)
Vt=Vd+Vr+Vdc; %Tong the tich cua noi hoi (m3) Ad=14.7; %Dien tich mat nuoc tai muc nuoc lam viec (m2) Adc=0.0637; %Dien tich ong xuong (m2) mr=1300; %Khoi luong ong xuong (kg) md=1363; %Khoi luong kim loai cua bao hoi (kg) mt=mr+md+98888; %Tong khoi luong kim loai (kg) K=25; %He so ma sat ong xuong Td=3; %Thoi gian hoi o trong bao hoi(s) Beta=0.3 ; %he so kinh nghiem Vsd0=2; %The tich hoi bong bong trong che do lam viec danh dinh (m3) Cp=550; %Nhiet dung rieng cua kim loai (Pascal.m3/kg.K) Tfw=104; %Nuoc cap (C) T_Sat=Banghoi('Tsat_p',P); %Nhiet do bao hoa (C) dT_Sat_dP-ETHANDIFF('dTsatdpsat_p',p*0.1)*le-6 % (K/Pa) %% Khoi luong rieng rhoS=Banghoi('rhoV_p',P) %steam (kg/m3) rhoW=Banghoi (' rhoL__p', P) %Water (kg/m3) % Tinh dao ham rieng theo ap suat drhoW_dP=(2*p*0.0148-3.7836)*le-5 %Water (kg/J) drhoS__dP=(2*p*0.0010+0.4450)*le-5 %steam (kg/J) %% Tinh Enthalpy hf=Banghoi('hL_T',Tfw)*le3 %Feedwater (J/kg) hW=Banghoi('hL_p', P)*le3 %Water (J/kg) hS=Banghoi('hv_p',p)*le3 %steam (J/kg) hC=hS-hW; ICondensation (J/kg) %Tinh dao ham rieng cua Enthalpy theo ap suat dhW_dP=ETHANDIFF('dhLdp_p', p *0.1)*le-3 %Water (J/kg.Pa) dhS_dP=ETHANDIFF('d h V d p _ p ,p*0.1)*le-3 %steam (J/kg.Pa) %% Cac hẹ so tinh toan Eta=(Alpha*(rhoW-rhoS))/rhoS; AlphaV=(rhoW/(rhoW-rhoS))*(1-((rhoS/((rhoW-rhoS)*Alpha)) ... *log(1+(((rhoW-rhoS)*Alpha)/rhoS)))); dAlphaV_dP=(1/((rhoW-rhoS)A2)) * (rhoW*drhoS_dP-... rhoS*drhoW_dP)*(1+(rhoW/(rhoS * (1+Eta)))-... (((rhoS +rhoW)*log(1+Eta))/(rhoS*Eta))); dAlphaV_dAlpha=(rhoW/(rhoS*Eta))*( ( (1/Eta)*log(1+Eta)) - ... (1/(1+Eta))); qdc=sqrt((2*rhoW*Adc*(rhoW-rhoS)*9.81*AlphaV*Vr)/K) ; v w a = v w u - v a c - ( l- A ip iia v ) * v r ; Vst=Vt-Vwt; % Cac phuong trinh trang thai ell=rhoW-rhoS; el2=Vwt*drhoW_dP+Vst*drhoS_dP; e21=rhoW*hW-rhoS*hS; e22= Vwt*(hW*drhoW_dP+rhoW*dhW_dP)+Vst* (hS*drhoS_dP+... rhoS*dhS_dP)-vt+mt*Cp*dT_Sat_dP; e32=(rhoW*dhW_dP-Alpha*hC*drhoW__dP)* (1-AlphaV)*Vr+... ((1-Alpha)*hc *drhoS_dP+rhoS *dhS_dP)*AlphaV*Vr+(rhoS+... (rhoW-rhoS)*Alpha)*hC*Vr*dAlphaV_dP-Vr+mr*Cp*dT_Sat_dP; e33= ((1-Alpha)*rhoS+Alpha*rhoW)*hC*Vr*dAlphaV_dAlpha; e42=Vsd*drhoS_dP+(1/hC)* (rhoS*Vsd*dhS_dP+rhoW*Vwd*dhW_dP-... Vsd-Vwd+nid*Cp*dT_Sat_dP) +. . . Alpha*Vr* (1+Beta)* (AlphaV*drhoS_dP+(1-AlphaV)*drhoW_dP+... (rhoS-rhoW)*dAlphaV_dP); e43=Alpha*(1+Beta) * (rhoS-rhoW)*Vr*dAlphaV_dAlpha; e44=rhoS; % Cac bien trang thai dP_dt=t(1/(el2*e2l-ell*e22)) * (-ell*Q+qf*(-hf*ell+e21)+qs*(-e21+hs*ell)); dVwt_dt=(l/e21) * (Q+qf*hf-qs*hS-e22*dP_dt); dAlpha_dt=(l/e33)* (Q-Alpha*hC*qdc-e32*dP_dt); dVsd__dt= (1/e44) * (( (rhoS/Td) * (VsdO-Vsd) )+ ((hf -hW) *qf/hC)-. .. e42*dP_dt-e4 3*dAlpha_dt); Level=(Vwd+Vsd)/Ad; 227
Điều khiển quá trinh nồi hơi % Cac dau ra cua mo hinh y=[dP_dt dVwt_dt dAlpha_dt dVsd_dt Level]; end Trong đó các file EnthanDif f .m và Banghoi .m được v iêì đ ể x á c định các tham s ố phụ thuộc áp su ăì theo bảng tính chãi cùa hơi nhiệt động lực h ọ c . Tiêp theo lập file sim ulink có tên là boiler4.m dl nliư tììn ìì 4 - 1 1 , trong đ ó các đâu vào z là Q, u là q j,q s , các đâu ra là áp suăì p và m ức nước trong bao hơi L, hàm M A T LA B Fcn chứa f il e mô hình DrumBoiler .m. H ình 4-11 MỒ hình simulink của quá trình tidi hơi Dùng lệnh sau đây đ c b iê ì M atỉab định nghĩa các thông sô'cùa quá trình, thứ tự c ác biến trạng thái [size, xO, states]=Boiler4 ([],[]/[],0) = xO = states = 4 4.5490 'Boiler4/P' 0 21.0000 'Boiler4/Vwt1 2 0.0094 1Boiler4/anfar 3 1.3420 'Boiler4/Vsd' 0 1 1 N hư vộy mô hình có 04 biến trợtig thái then thứ tự In p. Vwl, a , . Va J . có 07 đ ỗ u ra và 03 đ â u vào, g iá trị (fàu cùa các biên trạng tlíái lần lượt là: 4.5490, 21.000, 0.0094, 1.3420. Tiêp theo ta dùng lệnh linm od n hư đ ã giới thiệu ờ chương 3 đ ể xác định các m a trận trạng thái A ,B,C,D u0=[13.8473*10e5;6;6] [A,B,c,D]=linmod('Boiler4', xO,uO) A - -5.1804e+00 4.3708e-05 0 0 -3.8168e-06 -3.9683e-ll 0 0 8.0484e-05 -1.1480e-ll -1.6798e-01 0 1.6925e-01 4.2830e-08 -3.4057e+02 -3.3333e-01 8.7288e-05 -1.6001e+01 -1.8545e+02 6.4312e-ll 1.0797e-03 -1.2282e-03 7.3685e-ll 4.2030e-06 4.8711e-05 8.2427e-08 -1.5738e-02 2.4105e-01 1.0000e+00 0 0 0 -6.0522e-02 6.8027e-02 3.0048e+01 6.8027e-02 0 0 0 0 0 0 228
Vậy mô lùnh tuyến tính cùa quá trình nôi hơi tại điếm làm việc là 'p n'l ’p " p V v„ t Kt = A K t + B 9/ .í? II II ar ar ar X d. y *. Chuyên từ m ô hình trạng thái san g m ô lùiili d ạ n g h àm truyền d ù n g lệnh s s 2 tfta có: [numl,denl]=ss2tf(A,B, c , D,1) [num2/ d e n 2 ] = s s 2 t f ( A , B , c , D , 2) [num3,den3]=ss2tf(A,B,C,D,3) 0 .8 7 2 9 s + 0 .4 3 7 6 s + 0 .0 4 8 9 đ - 5 .6 5 5 4 x 1 0 '^
Điều khiển quá trình nồi hoi 10 ầ 0 n -10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1.5 1 1 °'5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 — co 21.501 -ì . 2 1 .5 0 1 > 21.501 10 20 30 40 60 70 80 90 100 _ 0.01 1ằ 0.005 C fõ 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ỉ 0 ~o ơ) 10 20 30 40 50 60 70 80 Time(s) Hình 4-13 Sự thay đổi các đại lượng của quá trình nồi hơi tương ứng khi nhiệt lượng Q cho tìôi hơi giảm 5% tại thời điểm 20s, các đâu vào q j,q s giữ nguyên tại giá trị làm việc Hình 4-14 Sự thay đôì các đại lượng của quá trình rìôi hơi tương ứng khi lưu lượng nước cấp cho tìôi hơi tăng 10% tại thời điểm 20 s, các đâu vào Q, qs giữ nguyên tại giá trị làm việc 230