Thiết kế bộ điều khiển áp suất bình ngưng cho nhà máy nhiệt điện

Bài viết trình bày thiết kế bộ điều khiển áp suất bình ngưng sao cho có được bộ thông số điều khiển phù hợp nhất với sự thay đổi của các thông số đầu vào. Bộ điều khiển đã thiết kế được mô phỏng trên matlab simulink cho thấy bộ điều khiển đáp ứng tốt với đầu vào thay đổi.

TẠP KHOA JOURNAL OFTập SCIENCE TECHNOLOGY TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀCHÍ CƠNG NGHỆHỌC VÀ CƠNG NGHỆ 24, SốAND (2021): 95-104 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÙNG VƯƠNG HUNG VUONG UNIVERSITY Tập 24, Số (2021): 95-104 Vol 24, No (2021): 95-104 Email: tapchikhoahoc@hvu.edu.vn Website: www.hvu.edu.vn THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT BÌNH NGƯNG CHO NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN Hà Duy Thái1*, Nguyễn Văn Quyết1 Khoa Kỹ thuật Công nghệ, Trường Đại học Hùng Vương, Phú Thọ Ngày nhận bài: 18/4/2020; Ngày chỉnh sửa: 07/8/2020; Ngày duyệt đăng: 18/8/2020 Tóm tắt B ình ngưng nhà máy nhiệt điện có vai trị quan trọng, dùng để ngưng lượng thoát từ tua bin hạ áp thành nước ngưng cung cấp cho chu trình nhiệt Với thay đổi thông số nhiệt độ nước, lượng điện phát làm cho ảnh hưởng đến hiệu kinh tế, kỹ thuật việc sản xuất điện Bài báo trình bày thiết kế điều khiển áp suất bình ngưng cho có thơng số điều khiển phù hợp với thay đổi thông số đầu vào Bộ điều khiển thiết kế mô matlab simulink cho thấy điều khiển đáp ứng tốt với đầu vào thay đổi Từ khóa: Bộ điều khiển PID, bình ngưng, điều khiển áp suất bình ngưng Đặt vấn đề Bình ngưng nhà máy nhiệt điện dùng để ngưng lượng thoát từ tua bin hạ áp thành nước ngưng cung cấp cho chu trình nhiệt [1-2] Mục đích việc ngưng tụ để tạo chân không sâu tầng cánh cuối tuabin ngưng Ở chế độ vận hành khác điều kiện bên ngồi bên hệ thống bình ngưng, cho có thơng số để trì mà thơng số thích hợp mặt kỹ thuật mặt kinh tế trình sản xuất điện [3] Đối với bình ngưng, để đảm bảo chế độ vận hành hiệu kinh tế an toàn cho thiết bị hai tham số áp suất bình ngưng mức nước bình ngưng *Email: duythai42tdh@gmail.com Thực tế, hầu hết nhà máy nhiệt điện ngưng nước ta có dùng nguồn nước làm mát nước sơng theo sơ đồ hở, ví dụ như: Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại dùng nước sơng Thái Bình, Nhà máy nhiệt điện ng Bí dùng nước sơng ng, Nhà máy nhiệt điện Ninh Bình dùng nước sơng Đáy [4] Điều kiện khí hậu, nhiệt độ nước dao động từ 15 đến 32oC [5] Điều làm ảnh hưởng tới trình truyền nhiệt bình ngưng làm thay đổi chế độ chân khơng bình ngưng Bên cạnh đó, phụ tải điện phép phát thường xuyên phải thay đổi phần lớn nhà máy nhiệt điện phải đáp ứng phần phụ tải nửa phụ tải đồ thị phân phối phụ tải chung Quốc gia [6] Chế độ vận hành thường xuyên bị thay đổi độ dao động lớn đồ thị phụ tải làm thay đổi phụ tải nhiệt bình 95 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ngưng Nếu chế độ trì chân khơng chế độ cung cấp nước làm mát khơng đáp ứng tốt làm giảm hiệu kinh tế trình sản xuất điện nhà máy nhiệt điện kiểu tuabin ngưng [7] Hiện nay, dây chuyền sản xuất nhiệt điện thường nhập từ nước với cơng nghệ kèm theo Vì vậy, cần nghiên cứu, thiết kế để làm chủ cơng nghệ, vận hành, sửa chữa, bảo dưỡng hệ thống điều cần thiết Bài báo trình bày thiết kế điều khiển tự động đáp ứng yêu cầu ổn định áp suất cho bình ngưng để đảm bảo chế độ vận hành hệ thống đạt hiệu cao Trong phạm vi báo đề cấp đến đối tượng nghiên cứu nhà máy nhiệt điện đốt than dùng tuabin ngưng với bình ngưng kiểu ống có nước làm lạnh bên Xác định hàm truyền đạt đối tượng bình ngưng Hà Duy Thái Nguyễn Văn Quyết A diện tích bề mặt làm lạnh nước bình ngưng; U hệ số truyền nhiệt bình ngưng; Phương trình cân lưu lượng nước nhiệt: dT Fcw Q = (Tcw − T ) + (3) dt M cw M cw C p Trong đó: Fcw lưu lượng nước làm lạnh [kg/s]; Mcw khối lượng nước làm lạnh [kg]; Phương trình thực nghiệm −0,8 = a1.Fcw + a U.A (4) Trong đó: a1, a2 số 2.2.2 Phương trình cân khối lượng 2.1 Các phương trình động học bình dP R.TC = (FS − FC ) (5) ngưng dt V 2.2.1 Phương trình cân lượng Trong đó: R số chất khí cụ thể Phương trình cân vào nước ngưng Mối quan hệ nhiệt độ nước ngưng áp suất: Q= Fc λ (1) (6) Trong đó: Tc = α.P + β Q công suất nhiệt [W]; 2.2 Sử dụng Matlab ident tool box để nhận Fc lưu lượng nước ngưng [kg/s]; dạng hàm truyền đạt bình ngưng λ nhiệt ẩn hóa nhiệt độ bão hịa; Để thiết kế điều khiển áp suất cho Phương trình mối liên hệ tốc độ truyền nhiệt: bình ngưng, trước tiên nhóm tác giả tiến hành xác định hàm truyền bình ngưng = Q U.A.∆Tm (2) Việc xác định hàm truyền bình ngưng Trong đó: thực ứng dụng Matlab ident ∆Tm độ chênh nhiệt độ trung bình, tool box phần mềm Matlab 2018 Matlab tính tốn nhiệt người ta thường sử ident tool box ứng dụng cho phép tìm dụng cơng thức: hàm truyền đạt thích hợp mô tả gần đối tượng thực Trong nghiên cứu T − Tcw ∆Tm = nhóm tác giả sử dụng số liệu T − Tcw ln c bình ngưng Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại Tc − T 96 Tập 24, Số (2021): 95-104 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ Các số liệu làm liệu để ứng dụng Matlab ident tool box tìm hàm truyền đạt phù hợp với bình ngưng Bảng Số liệu vận hành bình ngưng nhà máy điện [6] STT Fcw (kg/s) Tcw (oC) T (oC) P (kPa) 1.151 20 35 7,8 884 21 37 6,4 955,3 20 36 6,5 960,5 22 39 6,8 789 21 39,5 7,5 899 21 31 8,5 1.130 21 31,5 7,9 1.114,5 21 31,5 8,9 1.200 21,5 33 10 110,5 21,5 33 11 1.207 22 33 9,5 12 1.355 22 34 9,4 13 1.345 22 34,5 10,1 14 1.300 22 35 10 15 1.200 23 36,5 10,9 16 1.465,7 23 37 11 17 1.460,4 23 37,5 11,8 18 1.500,3 23,5 39 12 19 1.836 23,5 39 11,8 20 1.918 25,5 39,5 11,7 21 2.280 25,5 39,5 11,6 22 2.395,7 27,5 39,5 11,8 23 2.466,5 28 40 11,7 24 2.553,8 28 40 12 25 3.133,5 29 40,5 11,5 26 3.757,5 29 41,5 11,9 27 3.884 29 42 12,6 28 3.901,5 29,5 42,5 12,6 29 4.025 31 43 12,8 30 3.326 31 43 14,6 Trong đó: Fcw lưu lượng nước làm mát cấp cho bình ngưng [kg/s]; 97 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ Tcw nhiệt độ nước làm mát đầu vào bình ngưng [0C]; T nhiệt độ nước làm mát đầu bình ngưng [0C]; P áp suất bên bình ngưng [kPa] Quá trình nhận dạng hàm truyền đạt bình ngưng thực qua bước sau: Bước 1: Nhập liệu bảng vào Matlab thông qua Inport data kiểm tra liệu nhập vào khối Wordspace Bước 2: Gõ lệnh Ident vào cửa sổ Command window xuất cửa sổ System Identification Tool –Untiled Tại cửa sổ System Identification Tool – Untiled ta kích chuột vào Import data chọn Time doman data, hình xuất cửa sổ Import Data Tiếp theo ta phải khai báo biến đầu vào cho ô Workspace Variable Với ô Input ta khai báo biến Fcw biến lưu lượng nước làm mát Cịn output khai báo biến P áp suất bình ngưng Khi khai báo biến vào xong ta kích chuột vào Import Close thoát khỏi cửa sổ Workspace Variable Sau liệu khai báo matlab tiến hành tính tốn xác định đường đặc tính (my data) hình cửa sổ System Identification Tool – Untiled Tại mục Estimate (nhận dạng mơ hình) cửa sổ System Identification Tool – Untiled Với mục Estimate có nhiều dạng mơ là: Transfer funcition Model (hàm truyền mơ hình); State Space Model (hàm không gian trạng thái); Process Model; Polynominal Model; Nonlinear Model; Spectral models; Quick Start Ta tìm dạng mơ hình phù hợp với đường đặc tính liệu cho Q trình thực bước Bước 3: Lựa chọn mơ hình đối tượng có hàm truyền phù hợp với đặc tính liệu cho Hà Duy Thái Nguyễn Văn Quyết Hình Cửa sổ System Identification Tool –Untiled Hình Cửa sổ Transfer Ffuncition Hình Cửa sổ Process Model 98 Tập 24, Số (2021): 95-104 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ *) Lựa chọn 1: Transfer function Model hình xuất cửa sổ Transfer Functions Ta chọn Number of Poles: Number of zeros: kích chọn Esimate hình 2: Kết thu Command window sau: >> ident Opening System Identification Tool done MH1 = From input “u1” to output “y1”: (0.0002916 +/- 7.95e-05) s + (1.474e-05 +/- 1.141e-05) s^2 + (27.39 +/- 0.04489) s + (0.01833 +/0.002256) More information in model’s “Report” property *) Lựa chọn 2: Process Model xuất cửa sổ Polynomial and State Space model: ta chọn Structure : ARX ARMAX hình 3: Kết thu Command window sau: Name: MH2 Sample time: seconds Parameterization: Polynomial orders: na=2 nk=1 nb=2 nc=2 Number of free coefficients: Use “polydata”, “getpvec”, “getcov” for parameters and their uncertainties Name: MH1 Parameterization: Number of poles: Number of zeros: Number of free coefficients: Use “tfdata”, “getpvec”, “getcov” for parameters and their uncertainties Status: Termination condition: Maximum number of iterations reached Number of iterations: 20, Number of function evaluations: 173 Estimated using TFEST on time domain data “mydata” Fit to estimation data: 90.13% (simulation focus) (hình 5) FPE: 0.07139, MSE: 0.0536 Hình Polynomial and State Space model 99 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Hà Duy Thái Nguyễn Văn Quyết Status: Termination condition: Maximum number of iterations reached Number of iterations: 20, Number of function evaluations: 262 Estimated using POLYEST on time domain data “mydata” Fit to estimation data: 87.77% (prediction focus) (hình 5) FPE: 0.08246, MSE: 0.05922 More information in model’s “Report” property Kết thu Command window sau: *) Lựa chọn 3: Process Model, xuất hàm truyền cửa sổ Process Hình Đặc tính hàm truyền đạt sổ Model Output models hình Termination condition: Maximum number MH3 = of iterations reached Process model with transfer function: Number of iterations: 20, Number of 1+Tz*s function evaluations: 160 G(s) = Kp * * exp(-Td*s) Estimated using PROCEST on time s(1+Tp1*s) Kp = 2.2213e-05 +/- 5.8165e-05 Tp1 = 0.44692 +/- 6.3693 Td = +/- 19.883 Tz = -1.4848 +/- 16.552 Parameterization: Fit to estimation data: 23.1% (prediction focus) (hình 5) FPE: 1.122, MSE: 0.2353 More information in model’s “Report” property ‘P1DIZ’ 2.3 Mối quan hệ động học bình ngưng Number of free coefficients: Dựa vào phương trình động học (1), (2), (3), (4), (5), (6) bình ngưng trình bày mục 2.1, nhóm tác giả thiết lập mối quan hệ chúng dạng sơ đồ hình Use “getpvec”, “getcov” for parameters and their uncertainties Status: 100 domain data “mydata” Tập 24, Số (2021): 95-104 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ Hình Sơ đồ khối mạch vịng điều khiển áp suất bình ngưng 2.4 Hàm truyền hệ thống Với phương pháp thực mục 2.2, dựa vào kết phương pháp thực hình ta nhận thấy MH1 có tỷ lệ phần trăm cao 90,13% Như vậy, nhóm tác giả chọn MH1 hàm truyền đạt cho bình ngưng Hàm truyền bình ngưng xác định là: 0, 0002916s + 1, 47.10−5 0, 0002916s + 1, 47.10−5 MH1 = s + 27,39s + 0,1833 ( s2 + 27,3833) ( s + 0, 0057 ) Thiết kế điều khiển theo phương pháp modun tối ưu Đánh giá hàm truyền bình ngưng theo (7) ta thấy rằng, qn tính có bậc khơng lớn hai, nên ta áp dụng phương pháp tối ưu độ lớn để tìm thơng số cho điều khiển [8] Hàm truyền đạt chuẩn theo mô đun tối ưu hàm có dạng: WMD (s) = 2 2τ s + 2τs + (8) (7) Đặc điểm hàm chuẩn mô đun tối ưu hiệu chỉnh lại đặc tính tần số vùng tần số thấp trung bình Sai lệch tĩnh chất lượng động hàm mô đun tối ưu tốt [8] Với hàm truyền đạt đối tượng MH1 Áp dụng luật điều khiển mô đun tối ưu Ta thiết lập mạch vịng điều khiển hình Trong đó: WH(s) hàm truyền đạt MH1; WHC1(s) hàm truyền đạt điều khiển cần tìm Từ sơ đồ hình ta xác định hàm truyền đạt hệ thống kín sau: 101 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Hà Duy Thái Nguyễn Văn Quyết WH (s).WHC1 (s) W (s) = K K.(1 + WH (s).WHC1 (s)) (9) Theo phương pháp mơ đun tối ưu ta có WK (s) = WMD (s) Hình Sơ đồ khối mạch vịng điều khiển áp suất có phân hồi -1 Hay WH (s).WHC1 (s) = 2 K.(1 + WH (s).WHC1 (s)) 2τ s + 2τs + (10) Biến đổi ta được: W K (s) = HC1 W (s)2τ.s(1 + τs) H (11) Thay biểu thức (7) vào (11) ta được: W (s) = K.(s + 27,3833)(s + 0,0067) HC1 2τs(1 + τs).(0,0002916s + 1, 47.10−5 ) (12) Với số ti = 0,0002916 < 10-3 coi không đáng kể bỏ qua nên: K.(s + 27,3833)(s + 0,0067) 2τs(1 + τs) K.(s + 27,3833) (s + 0,0067) = 2τ.s (1 + τs) WHC1 (s) = (13) Hàm truyền đạt WHC1 (s) có khâu vi phân bậc một, khâu tích phân, khâu quán tính, khâu khuếch đại, để hệ thống có chất lượng động tốt, ta chọn thông số K τ sau: K = 0,01 τ =1 / 0.0067 Thay vào (13) ta được: 0,01.(s + 27,3833) 9,17 WHC1= (s) = 3,35 + 298,5074.s s Như vậy, điều chỉnh áp suất tỷ lệ tích phân (PI) đó: Hệ số tỷ lệ PI Kp= 3,35; Hệ số tích phân PI KI = 9,17 102 (14) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ Kết mơ đặc tính áp suất bình ngưng Mơ hình mơ xây dựng hình Hình Mơ thực với điều kiện sau: Bộ điều khiển có Kp= 3,35; KI = 9,17; Tập 24, Số (2021): 95-104 Khối Fs (lưu lượng vào bình ngưng) đặt trước 20 (kg/s); Khối Fcw (lưu lượng nước làm mát) đặt trước 700 (kg/s); Khối Tcw (Nhiệt độ nước làm mát đầu vào) đặt trước 25oC; Áp suất đặt bình ngưng p = 10 kPa Hình Sơ đồ mơ mạch vịng điều khiển áp suất bình ngưng Simulink Chất lượng hệ thống điều khiển 10 − 9,8 đánh giá qua chất lượng trình quá= độ St % = 100% 2% 10 hệ thống đánh giá qua tiêu như: Lượng điều chỉnh d%, thời gian Các giá trị độ điều chỉnh, thời gian độ: t (s), sai lệch tĩnh St(%) [8, 9, 10] độ, sai lệnh tĩnh hệ thống đảm bảo Theo sơ đồ mô hệ thống điều khiển ngưỡng cho phép hệ thống hình Quá trình độ hệ thống có độ điều khiển Do vậy, thông số điều điều chỉnh: d% = 19%, thời gian độ khiển PI theo thiết kế là: Kp= 3,35; KI t = 200s = 9,17 giá trị chọn để làm thông Với sai lệnh tĩnh: số cho điều khiển PI 103 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ Hà Duy Thái Nguyễn Văn Quyết điều khiển có tính khả thi cao để triển khai thực tế Tài liệu tham khảo Hình Đặc tính độ áp suất bình ngưng mần mềm Matlab Simulink Kết luận Nghiên cứu tiến hành thiết kế điều khiển áp suất cho bình ngưng việc sử dụng công cụ Matlab ident tool box để tìm hàm truyền phương pháp modul tối ưu để xác định tham số điều khiển Bộ điều khiển nhóm tác giả thiết kế cho kết sai lệch áp suất đặt áp suất thực 2% Như vậy, điều khiển đáp ứng tốt yêu cầu công nghệ đặt Việc thiết kế điều khiển mức nước thay giá trị đặt hướng nghiên cứu nhóm Qua [1] Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (1998) Giáo trình chun đề bình ngưng: Tập 1-2 [2] Hồng Minh Sơn (2009) Cơ sở hệ thống điều khiển trình Đại học Bách khoa Hà Nội [3] Nguyễn Thành Lâm & Ajpaneb B (1983) Quy trình vận hành bình ngưng 100 – KLIC Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại 1, Quảng Ninh [4] Phạm Lương Tuệ (1991) Chế độ làm việc thay đổi chế độ độ tua bin nước Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [5] Phạm Duy Hồng (1991) Tập tài liệu đơn vị đo lường giới Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh [6] Trần Văn Năm Các số liệu kỹ thuật tuabin K-100-90 Tài liệu dịch từ tiếng Nga Nhà máy Nhiệt điện Phả Lại 1, Quảng Ninh [7] Thomsen E G (1946) Heat transfer in an evaporative condenser Refrigeration Engineering, 51, 425- 431, [8] Phan Xuân Minh, Hà Thị Kim Duyên & Phạm Xuân Khánh (2011) Giáo trình lý thuyết điều khiển tự động Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội [9] Phạm Công Ngô (2001) Lý thuyết điều khiển tự động Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [10] Nguyễn Doãn Phước (2002) Lý thuyết điều khiển tuyến tính Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội DESIGN OF CONDENSER PRESSURE CONTROLLER FOR THERMAL POWER PLANT Ha Duy Thai1, Nguyen Van Quyet1 Falcuty of Engineering and Technology, Hung Vuong University, Phu Tho Abstract T he furnace is a device that is difficult to control because the transfer function is a function of two components including superlative inertia and hysteresis Therefore, some traditional control methods often still have some difficulties for the control system designers The article used the feedback method combined with the relay stage to overcome some of these disadvantages With the proposed method, it is possible to automatically detect the PID coefficient of the controller, making it simpler to calculate the design of the furnace control The simulation results of the algorithm on matlab software show that the algorithm can be applied in practice Keywords: Autotuning of PID controller, heat system, PID controller 104 ... công suất nhiệt [W]; 2.2 Sử dụng Matlab ident tool box để nhận Fc lưu lượng nước ngưng [kg/s]; dạng hàm truyền đạt bình ngưng λ nhiệt ẩn hóa nhiệt độ bão hịa; Để thiết kế điều khiển áp suất cho. .. điều khiển có tính khả thi cao để triển khai thực tế Tài liệu tham khảo Hình Đặc tính độ áp suất bình ngưng mần mềm Matlab Simulink Kết luận Nghiên cứu tiến hành thiết kế điều khiển áp suất cho. .. cho bình ngưng việc sử dụng công cụ Matlab ident tool box để tìm hàm truyền phương pháp modul tối ưu để xác định tham số điều khiển Bộ điều khiển nhóm tác giả thiết kế cho kết sai lệch áp suất