Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển mức nước bao hơi cho nhà máy nhiệt điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƢỚC BAO HƠI CHO NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN Ngƣời hƣớng dẫn : TS. TRẦN XUÂN MINH Học viên : TRẦN MẠNH HÙNG Chuyên ngành : TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên, năm 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SỸ Họ và tên học viên: Trần Mạnh Hùng Ngày tháng năm sinh: Ngày 26 tháng 04 năm 1979 Nơi sinh: Thái Nguyên Đơn vị công tác: Trường Cao đẳng nghề Cơ điện – Luyện kim Thái Nguyên Cơ sở đào tạo: Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Chuyên ngành đào tạo - Khóa học: Tự động hoá Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. TRẦN XUÂN MINH Tên đề tài: NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỨC NƢỚC BAO HƠI CHO NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NGƢỜI HƢỚNG DẪN TS. TRẦN XUÂN MINH HỌC VIÊN TRẦN MẠNH HÙNG Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 Lêi nãi ®Çu Với nhu cầu nâng cao chất lượng điều khiển quá trình công nghệ, các hệ điều khiển nhiều vòng được áp dụng rộng rãi. Chất lượng điều chỉnh của hệ nhiều vòng đã đem đến kết quả rất khả quan trong điều chỉnh công nghiệp đặc biệt là trong các quá trình nhiệt, khi đối tượng điều khiển có quán tính lớn và chịu ảnh hưởng mạnh của tác động nhiễu. Từ khi kỹ thuật vi xử lý và điều khiển số ra đời người ta càng quan tâm nhiều hơn đến việc tổng hợp hệ thống điều khiển số nhiều vòng, song vì tính phức tạp của đối tượng (nhất là đối tượng nhiệt) cho nên lời giải nhận được của hệ thống không đem lại kết quả mong muốn hoặc kết quả không tối ưu do đó khi đặt tham số hệ thống người ta phần lớn dựa trên kinh nghiệm là chính. Trong bối cảnh đó quan điểm tổng hợp cấu trúc bền vững cao ra đời là cơ sở lý luận để tổng hợp hệ thống điều chỉnh liên tục. Theo phương pháp này cho phép thiết kế bộ điều chỉnh có độ ổn định rất cao, sai số điều chỉnh nhỏ, quá trình quá độ đảm bảo hệ số tắt cao trong trường hợp đối tượng có sự thay đổi. Xuất phát từ thực tế quá trình điều khiển mức nước bao hơi của nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 không tốt. Biên độ dao động lớn, thời gian điều chỉnh kéo dài nhất là khi có sự thay đổi về phụ tải. Độ quá điều chỉnh lớn dẫn đến mức nước bao hơi vượt ngoài khoảng cho phép, do đó hệ thống bảo vệ tác động có khi phải dừng cả tổ máy đem lại thiệt hại lớn về kinh tế. Mặt khác thời gian điều chỉnh kéo dài làm hư hỏng thiết bị. Một trong những nguyên nhân chính đó là quá trình hiệu chỉnh tham số điều chỉnh không tốt. Hệ thống hiệu chỉnh mức nước bao hơi ở nhà máy nhiệt điện Phả Lại 2 sử dụng phương pháp truyền thống mà chủ yếu sử dụng phương pháp Ziegle – Nichols có đôi chỗ sử dụng thuật toán thích nghi nhưng kết quả mức nước vẫn dao động lớn. Trong luận văn này: “Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng điều khiển hệ thống điều khiển mức nƣớc bao hơi cho nhà máy nhiệt điện” do thầy giáo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 TS. TRẦN XUÂN MINH hướng dẫn là công trình tổng hợp và nghiên cứu của riêng tôi. Qua kết quả chạy mô phỏng trên phần mềm Matlab và phần mềm Cascad cho thấy ứng dụng phương pháp này hệ thống hiệu chỉnh mức nước bao hơi ở nhà máy nhiệt điện được tốt hơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 MỤC LỤC 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………………………………… 8 1.1. Giới thiệu về hệ thống điều khiển mức nước bao hơi trong lò hơi nhà máy nhiệt điện ….………………………… 8 1.1.1. Đặt vấn đề …………………………… 8 1.1.2. Các cấu trúc cơ bản của điều khiển mức nước bao hơi 9 1.1.2.1. Các ký hiệu trên sơ đồ logic ……… 9 1.1.2.2. Sơ đồ điều chỉnh một tín hiệu … 10 1.1.2.3. Sơ đồ điều chỉnh hai tín hiệu 11 1.1.2.4. Sơ đồ điều chỉnh ba tín hiệu … 11 1.1.3. Điều chỉnh mức nước bao hơi và các phương pháp điều chỉnh 14 1.1.3.1. Vai trò và nhiệm vụ của hệ thống tự động điều chỉnh cấp nước lò hơi.14 1.1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự thay đổi mức nước bao hơi … 15 1.1.4. Các sơ đồ tự động điều chỉnh mức nước bao hơi 19 1.1.4.1. Hệ thống điều chỉnh một xung ………… 20 1.1.4.2. Hệ thống điều chỉnh hai xung: H, D .… 22 1.1.4.3. Hệ thống điều chỉnh ba xung .… 25 1.1.5. Các phương pháp hiệu chỉnh hệ thống với đối tượng không có tự cân bằng ……………………………………………………………………….27 1.1.5.1. Tổng hợp và thiết kế theo phương pháp thứ nhất của Ziegler–Nichols.27 1.1.5.2. Tổng hợp, thiết kế theo phương pháp Chien–Hrones–Reswick– Kuhn.27 1.1.5.3. Tổng hợp và thiết kế theo phương pháp Reinisch …………………….28 1.2. Thuật toán vượt khe ……………………………………………………….31 1.2.1. Đặt vấn đề …… ……………………………………………………… 31 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 1.2.2. Bước vượt khe ……………………………………………………… 32 1.2.3. Hướng tìm kiếm .……………………………………………………… 40 1.2.4. Phương pháp vượt khe theo hướng chiếu affine ……………………… 41 Chương 2: Tổng hợp và thiết kế bộ điều khiển dựa trên phần mềm CASCAD .42 2.1. Nhận dạng mô hình đối tượng ………………………………………… 42 2.1.1. Phương pháp nhận dạng mô hình đối tượng đang làm việc ………… 43 2.1.1.1. Bài toán nhận dạng hệ nhiều tầng ……………………….………… 44 2.1.1.2. Xác định ảnh của tín hiệu hàm thời gian ……………… ………… 45 2.1.1.3. Xác định hàm truyền của đối tượng … ……………… ………… 47 2.1.1.4. Sai số mô hình hóa và mô hình bất định 2.1.2. Giới thiệu về phần mềm CASCAD để nhận dạng đối tượng ……… 49 2.1.2.1. Mục đích ý nghĩa của tổ hợp CASCAD ………………………………49 2.1.2.2. Cấu trúc của chương trình …………………………………………….52 2.1.2.3. Những chức năng cơ bản của CASCAD ……………… ……….……54 2.1.2.4. Thiết lập hệ thống điều khiển ………………………… ………….…57 2.1.2.5. Chế độ đồ họa – Dựng các đặc tính của hệ thống .…… ………….…60 2.1.2.6. Nhận dạng đối tượng ……………………………………………….…75 2.1.3. Nhận dạng đối tượng theo số liệu vận hành bình thường tại nhà máy Nhiệt điện phả lại 2 ……………………………………………………………… …80 2.1.3.1. Khái quát chung về sơ đồ điều khiển mức nước bao hơi của nhà máy .… 80 2.1.3.2. Nhận dạng đối tượng …………………………………… …… 81 2.1.3.3. Nhận dạng đối tượng vòng trong và vòng ngoài … …… 81 2.1.3.4. Nhận dạng đối tượng theo kênh nhiễu … ……………… 86 2.1.3.5. Xây dựng hàm truyền đạt cho các thiết bị đo lường …… 87 2.1.3.6. Hàm truyền đạt cho cảm biến đo lưu lượng nước cấp … 87 2.2. Tổng hợp bộ điều khiển …………………………………… …… 88 2.2.1. Thiết kế bộ điều khiển tương tự cho hệ thống điều khiển công suất lò hơi ………………………………………………………………………… 88 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 2.2.1.1. Ph©n tÝch bé ®iÒu khiÓn PID ………………………………………… 88 2.2.1.2. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển tương tự …………………………….… 89 2.2.1.3. Tổng hợp mạch vòng điều khiển lưu lượng nước cấp …………….….91 2.2.1.4. Tæng hîp m¹ch vßng ®iÒu khiÓn bï nhiÔu l-u l-îng h¬i ……….…….92 2.2.1.5. Tổng hợp mạch vòng điều khiển mức nước bao hơi ……… ….…….94 2.2.1.6. Tổng hợp cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước bao hơi …….…… 96 2.2.1.7. Kết quả mô phỏng các mạch vòng …….………………………….… 98 2.3. Nhận xét: …….………………………………………………… ….… 103 Chương 3: Nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển mức nước bao hơi bằng phương pháp điều khiển mờ ……………………………………… ….……104 3.1. Khái niệm cơ bản ……………………………………… ….……… …104 3.1.1. Định nghĩa tập mờ ……………………………………… ….…….….104 3.1.2. Các thuật ngữ trong logic mờ .…………………………… ….………105 3.1.3. Biến ngôn ngữ ……………………………………… ….……………106 3.1.4. Các phép toán trên tập mờ … ……………………………… ….……107 3.1.5. Luật hợp thành ……………………………………… ….……………108 3.1.6. Giải mờ ……………………………………… ….………………… 110 3.2. Bộ điều khiển mờ ……………………………………… ….………… 113 3.2.1. Cấu trúc một bộ điều khiển mờ …………………………… ….…… 113 3.2.2. Nguyên lý điều khiển mờ ………………………………… ….…… 113 3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển mờ ………………………………… ….…… 114 3.3. Thiết kế bộ điều khiển mờ điều chỉnh mức nuớc bao hơi … ….……….115 3.4. Nhận xét ……………………………………………… ….……………121 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 Chƣơng 1: Giới thiệu về hệ thống điều khiển mức nƣớc bao hơi trong lò hơi nhà máy nhiệt điện và thuật toán vƣợt khe. 1.1. Giới thiệu về hệ thống điều khiển mức nƣớc bao hơi trong lò hơi nhà máy nhiệt điện. 1.1.1. 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.lrc-tnu.edu.vn 9 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. 1.1.2. Các cấu trúc cơ bản của điều khiển mức nƣớc bao hơi 1.1.2.1. Các ký hiệu trên sơ đồ logic 0 1  Khối cộng Hàm chuyển đổi )(xF  + - Bộ trừ T Bộ truyền tín hiệu A Khối đặt giá trị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 1.1.2.2. 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). ZT Bộ chuyển đổi vị trí  K  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 sai lệch biến quá trình đầu vào (PV) so với giá trị điểm đặt (SV) cho ra tín hiệu điều khiển Bộ chuyển đổi tín hiệu L R Bộ chuyển đổi lưu lượng nước sang dòng điện I W P I Bộ chuyển đổi dòng điện sang áp suất Khâu phản hồi chuyển đổi tín hiệu Đo lường [...]... thay i thỡ mc nc bao hi cng thay i theo T phng trỡnh (1.2) ta thy rng: khi ỏp sut bao hi tng lờn thỡ mc nc bao hi gim, vỡ khi ỏp sut bao hi tng thỡ ng thi nhit nc bóo ho trong lũ tng trong khi ú nhit lng sinh ra trong bung la vn khụng thay i dn n lng hi sinh ra trong h thng gim, iu ny dn n mc n c trong bao hi s gim Cũn khi ỏp sut bao hi gim thỡ hin tng xy ra nguc li lm cho mc nc bao hi tng lờn Khi... bm cp nc) ú l mch vũng iu chnh lng nc cp cho bao hi v mch vũng iu chnh mc nc bao hi Trong hai mch vũng ny thỡ tớn hiu v mc nc s c u tiờn hn so vi tớn hiu lu lng hi Tuy nhiờn khi m mc nc trong bao hi gn ti im t (Sensor = 0) thỡ tớn hiu v s thay i ca lu lng s tỏc ng ngay lờn mc nc, cú ngha l tớn hiu iu khin l tớn hiu v lu lng Trong trng hp mc nc trong bao hi cao, ph ti nhit khỏ ln, lỳc ny b iu khin mc... cách điều chỉnh b-ớc chỉ căn cứ theo điều kiện sao cho hàm mục tiêu luôn luôn giảm sau kết quả tìm kiếm trên mỗi b-ớc lặp, tức là : J ( x1 ) J ( x 2 ) J ( x k ) J ( x k 1 ) (1.21) Đây là điều kiện quá yếu, không đủ để đảm bảo sự hội tụ và hơn nữa càng không thể có tác dụng để tăng tốc độ hội tụ của hầu hết các thuật toán tối -u hoá hàm trơn và không trơn - Qui tắc điều chỉnh b-ớc thứ hai là cho. .. Trong ú: BH bao hi; BQN - b quỏ nhit; BC - b iu chnh; BHN - b hõm nc; H thng iu chnh ny cú mt tớn hiu vo b iu chnh, ú l mc nc bao hi (H), nú ph thuc vo giỏ tr t v du ca sai lch mc nc bao hi, b iu chnh s thay i m ca van cp nc thay i lu lng nc cp vo lũ S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 20 T ng c tớnh tnh biu din trờn hỡnh 1.7 cho ta thy quan h gia mc nc bao hi vi... v h thng dn ng sinh hi, lm tng mc nc trong bao hi t H2 lờn H3 Tớn hiu thay i mc nc ny c a v b iu chnh, t ú b iu chnh cho tớn hiu úng bt m van nc cp gim lu lng nc cp vo lũ t giỏ tr W3 xung Wb S khụng tng ỳng gia lu lng nc cp vo lũ v lu lng hi ra khi lũ s dn n lm gim mc nc trong bao hi Tớn hiu hiu gim mc nc bao hi ny li c truyn n b iu chnh v t ú b iu chnh cho tớn hiu ra tng dn m ca van nc cp v tng... lng cao, chớnh xỏc trong quỏ trỡnh iu chnh Nh vy, t c tớnh quỏ ta thy: quỏ trỡnh iu chnh mc nc bao hi bng h thng ba xung luụn gi mc nc trong bao hi n nh Vỡ vy trong cỏc lũ bao hi nú c s dng rt ph bin t S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 26 1.1.5 Cỏc phng phỏp hiu chnh h thng vi i tng khụng cú t cõn bng 1.1.5.1 Tng hp v thit k theo phng phỏp th nht ca Ziegler Nichols... hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 28 thun li cho vic thit k h thng vi lut iu khin I cho i tng dng 1 v khụng cú lut iu khin I cho i tng dng 2, Reinisch ó ngh a hm truyn phi cú ca h h v dng gn ỳng sau: W0 (s) 1 (1.7) sT(1 c1s c 2 s ) 2 Vi hai trng hp phõn bit c2 = 0 hoc c2 0 Tham sụ T c tớnh bi: 1 k dt k i T k idt Cho i tng dng 1 (1.8) Cho i tng dng 2 V c1 c xỏc nh t cỏc tham s ca i tng... nhiên ở lân cận điểm tối -u Tuy nhiên trong hầu hết các tr-ờng hợp chúng đều có tính chất khe rõ rệt Nếu khe quá sâu h-ớng tìm kiếm có thể sai lệch một cách không chấp nhận đ-ợc Điều đó th-ờng dẫn đến sự mất ổn định hay hiện tuợng quẩn của quá trình lặp do thuật toán tối -u hoá bị bóp méo Thuật toán v-ợt khe nghiên cứu tính chất hàm mục tiêu tại vùng khe của nó từ đó có khả năng thích nghi và xác định chiến... ca TuaBin s cú m cao s lm hng tng cỏnh TuaBin Cũn khi mc nc bao hi thp hn mc yờu cu lm mt s tun hon t nhiờn ca nc trong h thng Trong khi ú lng nhit sinh ra trong bung la vn khụng i dn n cú th lm bin dn g hoc phỡnh n cỏc ng sinh hi Chớnh vỡ vy, h thng iu chnh t ng cp nc bao hi cú vai trũ rt quan trng trong h thng iu chnh ca lũ hi Cú nhim v m bo mc nc bao hi thay i trong mt gii hn cho phộp hay núi cỏch... Để xây dựng đ-ợc những thuật toán có độ hội tụ nhanh nhất nếu sử dụng tối đa l-ợng thông tin về tính chất hàm mục tiêu thu đ-ợc trên mỗi b-ớc lặp Điều đó có thể thực hiện đ-ợc nếu cho điểm tím kiếm chuyển động đạt tới điểm cực tiểu của hàm mục tiêu theo h-ớng đó Qui tắc điều chỉnh b-ớc này xác định bởi điều kiện đạt cực tiểu của hàm mục tiêu theo h-ớng nh- sau : k 1 arg min J ( x k s k ), k 0,1, . về hệ thống điều khiển mức nước bao hơi trong lò hơi nhà máy nhiệt điện và thuật toán vượt khe………………………………… 8 1.1. Giới thiệu về hệ thống điều khiển mức nước bao hơi trong lò hơi nhà máy nhiệt. thiệu về hệ thống điều khiển mức nƣớc bao hơi trong lò hơi nhà máy nhiệt điện và thuật toán vƣợt khe. 1.1. Giới thiệu về hệ thống điều khiển mức nƣớc bao hơi trong lò hơi nhà máy nhiệt điện. . thích nghi nhưng kết quả mức nước vẫn dao động lớn. Trong luận văn này: Nghiên cứu nâng cao chất lƣợng điều khiển hệ thống điều khiển mức nƣớc bao hơi cho nhà máy nhiệt điện do thầy giáo Số