Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển ổn định áp suất bao hơi bằng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số pid

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM THỊ BẢO NGỌC NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA THÁI NGUYÊN - 2014 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM THỊ BẢO NGỌC NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ÁP SUẤT BAO HƠI BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT PHÕNG QUẢN LÝ ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Trần Xuân Minh KHOA CHUYÊN MÔN TRƯỞNG KHOA THÁI NGUYÊN - 2014 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Lò thiết bị xảy ra trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa biến nước thành hơi, biến lượng nhiên liệu thành nhiệt dòng thiết bị công nghiệp sử dụng nhiều nhà máy nhiệt điện số công nghệ khác Trong nhà máy nhiệt điện, lò sản xuất để làm quay tuốc bin phục vụ cho việc sản xuất điện thiết bị lớn vận hành phức tạp nhất, hệ thống có nhiều đầu vào nhiều đầu Hệ thống điều khiển lò hệ thống điều khiển phức tạp, giám sát điều khiển hàng trăm tham số Hệ thống có có cấu trúc phức tạp với nhiều mạch vòng điều khiển khác Nhiệm vụ công tác vận hành lò đảm bảo cho lò làm việc trạng thái kinh tế nhất, an toàn thời gian lâu dài Việc tự động hóa lò chủ yếu tập trung vào vấn đề điều khiển tự động trình lò để đảm bảo cho lò làm việc ổn định kinh tế cách điều chỉnh năm quan hệ: phụ tải – nhiên liệu, phụ tải – không khí, phụ tải – khói thải, phụ tải – mức nước bao phụ tải – xả liên tục Từ tiêu đặt ra, hệ thống điều khiển lò phải cấu thành từ số điều chỉnh tương đối độc lập với gồm: - Hệ thống điều chỉnh mức nước bao - Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ nhiệt - Hệ thống điều chỉnh trình cháy - Hệ thống điều chỉnh sản lượng - Hệ thống điều chỉnh áp suất Việc nghiên cứu thiết kế chỉnh định hệ thống điều khiển lò yêu cầu cần thiết cán kỹ thuật thuộc lĩnh vực điều khiển tự động hóa Trong hệ thống điều chỉnh áp suất bao khâu quan trọng hệ điều khiển lò hơi, đóng vai trò việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển lò Việc đưa phương pháp điều khiển đại áp dụng cho hệ thống điều khiển trình, cụ thể điều khiển áp suất bao nhà máy nhiệt điện Đảm bảo khả hoạt động tốt chế độ làm việc đòi hỏi nhà khoa học không ngừng phát triển nghiên cứu Mặt khác số lò hệ cũ lò dây chuyền nhà máy nhiệt điện Phả Lại yêu cầu phải nâng cấp hệ thống điều khiển để cải thiện chất lượng điều khiển đại Vì nghiên cứu thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số PID nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống ổn định áp suất bao cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu - Thiết kế điều khiển PID để điều khiển trình lò điều khiển ổn định áp suất Mô thực nghiệm để kiểm chứng kết thiết kế (Với đối tượng điều khiển mô hình lò nhà máy nhiệt điện Trung tâm thí nghiệm Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên) - Đề xuất cải thiện chất lượng điều khiển điều khiển điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 3.Nội dung luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Giới thiệu hệ thồng điều khiển áp suất bao nhà máy nhiện điện Chương 2: Mô tả toán học cho đối tượng điều khiển áp suất bao nhà máy nhiệt điện 3 Chương 3: Thiết kế điều khiển PID để điều khiển ổn định áp suất bao cho lò Trung tâm thí nghiệm - Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Chương 4: Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số PID để cải thiện chất lượng hệ thống điều khiển ổn định áp suất bao Kết luận kiến nghị Chƣơng GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ÁP SUẤT BAO HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.1 Tổng quan nhà máy nhiệt điện Nhà máy nhiệt điện chiếm thị phần quan trọng ngành sản xuất điện đất nước Nhà máy hoạt động dựa nguyên tắc chuyển hóa nhiệt thành sau thành điện Ở nhiệt tạo thành từ việc đốt cháy nhiên liệu: than đá, khí thiên nhiên, dầu mỏ buồng đốt làm nước lò chuyển hóa thành nước Hơi nước (với điều kiện áp suất, nhiệt độ, lưu lượng) đưa tới sinh công tuabin Điện thu đầu máy phát đưa qua hệ thống trạm biến áp để nâng lên cấp điện áp thích hợp trước hòa vào lưới điện quốc gia 1.1.1 Nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện Nguyên lý sản xuất điện nhà máy nhiệt điện chuyển hoá nhiệt từ đốt cháy loại nhiên liệu lò thành quay tuabin, chuyển tuabin thành lượng điện máy phát điện Nhiệt dẫn đến tuabin qua môi trường dẫn nhiệt nước Hơi nước môi trường truyền tải nhiệt nước phải đảm bảo chất lượng ( phải đủ áp suất, đủ độ khô) trước vào tuabin để sinh công Nhiệt cung cấp nhiều lượng điện phát lớn ngược lại Điện áp phát đầu cực máy phát điện đưa qua hệ thống trạm biến áp để nâng lên cấp điện áp thích hợp trước hoà vào mạng lưới điện quốc gia Quá trình chuyển hoá lượng từ lượng hoá chứa nhiên liệu thành nhiệt trình đốt cháy nhiên liệu Nhiệt trình đốt cháy nhiên liệu cấp cho trình tạo bão hoà mang nhiệt Hơi bão hoà môi trường truyền nhiệt từ lò đến tuabin Tại tuabin nhiệt biến đổi thành năng, sau từ chuyển hoá thành điện Quá trình chuyển hoá lượng thể qua mô hình sau: Hình 1.1 Quá trình chuyển hóa lượng 1.1.2 Chu trình nhiệt nhà máy nhiệt điện Nhà máy nhiệt điện hoạt động dựa nguyên tắc chuyển hóa nhiệt thành sau thành điện năng; nhiệt tạo thành từ việc đốt cháy nhiên liệu: than đá, khí thiên nhiên, dầu mỏ buồng đốt làm nước lò chuyển hóa thành nước Nước ngưng từ bình ngưng tụ bơm ngưng bơm vào bình gia nhiệt hạ áp đến 140oC Tại đây, nước ngưng gia nhiệt nước trích từ cửa trích qua tuabin Sau qua gia nhiệt hạ áp, nước ngưng đưa lên bình khử khí 6at để khử hết bọt khí có nước, chống ăn mòn kim loại Nước sau khử khí, bơm cấp nước đưa qua bình gia nhiệt cao áp để tiếp tục gia nhiệt nước trích từ cửa trích xilanh cao áp tuabin đến nhiệt độ 230oC Sau gia nhiệt gia nhiệt cao áp, nước đưa qua hâm nước đuôi lò vào bình bao Nước bình bao theo vòng tuần hoàn tự nhiên chảy xuống giàn ống sinh hơi, nhận nhiệt từ buồng đốt lò biến thành nước trở bình bao Trong bình bao phần bão hòa ẩm, phía nước ngưng Hơi bão hòa ẩm bình bao không đưa vào tuabin mà đưa qua sấy hơi, sấy khô thành nhiệt, đưa vào tuabin Tại tuabin, động dòng biến thành quay trục hệ thống Tuabin-Máy phát Hơi sau sinh công tầng cánh tuabin ngưng tụ thành nước bình ngưng tụ Công tuabin sinh làm quay máy phát điện Như vậy, nhiệt nhiên liệu biến đổi thành điện năng, nước môi chất trung gian biến đổi theo vòng tuần hoàn kín Hình1.2: Sơ đồ chu trình nhiệt tổ máy 1.2 Lò nhà máy nhiệt điện 1.2.1 Nhiệm vụ lò Trong nhà máy nhiệt điện, lò thiết bị lớn sinh vận hành phức tạp Nó có trình độ khí hóa tự động hóa cao, làm việc đảm bảo hiệu suất tương đối cao Trong xảy trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa biến nước thành hơi, biến lượng nhiên liệu thành nhiệt dòng Lò có nhiệm vụ sau: - Chuyển hóa lượng nhiên liệu hữu than đá, dầu mỏ, khí đốt… buồng đốt nhiên liệu thành điện 7 - Truyền nhiệt sinh cho môi chất tải nhiệt môi chất thông qua hệ thống dẫn đưa môi chất làm quay tua bin Thường lò chất tải nhiệt nước có nhiệt độ thông thường đưa lên nhiệt độ cao nhiệt độ sôi, biến thành bão hòa nhiệt 1.2.2.Cấu tạo lò Nguyên lý cấu tạo lò biểu diễn hình 1.3 Cấu tạo chung lò nhằm thực nhiệm vụ chính: Một chuyển hóa nhiên liệu thành nhiệt sản phẩm cháy, nghĩa đốt nhiên liệu thành sản phẩm cháy có nhiệt độ cao, nước sôi, bão hòa nhiệt có áp suất nhiệt độ thỏa mãn yêu cầu sử dụng Hình 1.3: Nguyên lí cấu tạo lò 1- Buồng đốt; 2- dàn ống sinh hơi; 3- vòi phun nhiên liệu + không khí 4- ống nước xuông; 5- bao hơi; 6- ống dẫn trần; 7- nhiệt hơi; 8- Bộ nhiệt trung gian hơi; 9- hâm nước; 10- khoảng trống để vệ sinh sửa chữa; 11- sấy không khí 8 Như cấu tạo lò gồm hệ thống sau: - Hệ thống cung cấp đốt cháy nhiên liệu - Hệ thống cung cấp không khí thải sản phẩm cháy - Hệ thống sử lí nước cấp nước làm mát - Hệ thống sản xuất cấp nước nóng cho trình sinh - Hệ thống đo lường điều khiển - Hệ thống an toàn - Hệ thống lò: Khung lò, tường lò, cách nhiệt… Với lò đốt phun loại lò sử dụng với công suất trung bình lớn, dùng phổ biến nhà máy nhiệt điện nước ta, đốt nhiên liệu khí, nhiên liệu lỏng phun thành hạt nhiên liệu rắn nghiền thành bột mịn Hình1.4: Một số phận lò đốt than phun Lò đốt phun gồm phận sau: Bao hơi, van chính, đường nước cấp, vòi phun nhiên liệu, buồng lửa không gian để đốt cháy tất nhiên liệu phun vào lò, phễu tro lạnh để làm nguội hạt tro xỉ trước thải trường hợp thải xỉ khô, giếng xỉ để hứng tất xỉ ngoài, bơm nước cấp, ống khói, sấy không khí, quạt gió, hâm nước, dàn ống nước xuống, dàn ống nước lên, dãy festoon dàn ống sinh nhiệt, lọc bụi để chống mài mòn cánh quạt khói 1.2.3 Hệ thống điều khiển lò 1.2.3.1 Lò đối tượng điều khiển Đầu hệ thống điều khiển lò điện năng, cung cấp lên lưới điện tiêu thụ quốc gia Chính vậy, giá trị công suất phát nhà máy điện thay đổi tùy thuộc nhu cầu sử điện Giá trị công suất công suất yêu cầu từ trung tâm điều độ quốc gia Đối với hệ thống điều khiển lò hơi, công suất điện phát phụ thuộc vào lưu lượng đưa đến tuabin máy phát, lưu lượng dẫn vào tuabin nhiều nhiệt truyền theo sinh công nhiều, điện sản xuất lớn (chuyển hóa lượng từ nhiệt thành thành điện năng) làm cho công suất máy phát tăng lên ngược lại Nên có yêu cầu công suất điện phát thay đổi phải thay đổi lưu lượng đưa vào tuabin, kéo theo yêu cầu nhiệt tăng lên, nhiên liệu đưa vào lò phải tăng lên nước cấp vào bao phải tăng lên để có sản lượng yêu cầu Lò hệ thống có nhiều đầu vào có nhiều đầu Đầu vào lò bao gồm nhiên liệu (than, dầu), gió đảm bảo cung cấp O cho trình cháy lượng nước cấp xuống từ bao Đầu lò bao gồm nước bã hòa thoát từ bao hơi, lượng nước thừa xuống, lượng khói thải xỉ (tro) từ trình cháy Như lượng đưa vào lò hóa có chứa nhiên liệu Năng lượng hữu ích đầu lò mang [...]... ống sinh hơi và bộ quá nhiệt, bộ lọc bụi để chống mài mòn cánh quạt khói 1.2.3 Hệ thống điều khiển lò hơi 1.2.3.1 Lò hơi là một đối tượng điều khiển Đầu ra của hệ thống điều khiển lò hơi là điện năng, được cung cấp lên lưới điện tiêu thụ quốc gia Chính vì vậy, giá trị công suất phát của nhà máy điện thay đổi tùy thuộc nhu cầu sử điện Giá trị công suất công suất này được yêu cầu từ trung tâm điều độ... lưu lượng hơi đưa vào tuabin, kéo theo đó là yêu cầu nhiệt năng tăng lên, nhiên liệu đưa vào lò phải tăng lên và nước cấp vào bao hơi cũng phải tăng lên để có được sản lượng hơi yêu cầu Lò hơi là một hệ thống có nhiều đầu vào và có nhiều đầu ra Đầu vào của lò hơi bao gồm nhiên liệu (than, dầu), gió đảm bảo cung cấp O 2 cho quá trình cháy và lượng nước cấp xuống từ bao hơi Đầu ra của lò bao gồm hơi. .. Đối với hệ thống điều khiển lò hơi, công suất điện phát ra phụ thuộc vào lưu lượng hơi đưa đến tuabin của máy phát, lưu lượng hơi dẫn vào tuabin nhiều thì nhiệt được truyền theo và sinh công càng nhiều, do vậy điện năng sản xuất ra càng lớn (chuyển hóa năng lượng từ nhiệt năng thành cơ năng và thành điện năng) làm cho công suất của máy phát tăng lên và ngược lại Nên khi có yêu cầu về công suất điện...9 Lò hơi đốt phun gồm các bộ phận chính sau: Bao hơi, van hơi chính, đường nước cấp, vòi phun nhiên liệu, buồng lửa là không gian để đốt cháy tất cả nhiên liệu phun vào lò, phễu tro lạnh để làm nguội các hạt tro xỉ trước khi thải ra ngoài trong trường hợp thải xỉ khô, giếng xỉ để hứng tất cả xỉ ra ngoài, bơm nước cấp, ống khói, bộ sấy không khí, quạt gió, bộ hâm nước, dàn ống nước... bảo cung cấp O 2 cho quá trình cháy và lượng nước cấp xuống từ bao hơi Đầu ra của lò bao gồm hơi nước bã hòa thoát ra từ bao hơi, lượng nước thừa đi xuống, lượng khói thải và xỉ (tro) từ quá trình cháy Như vậy năng lượng đưa vào lò chính là hóa năng có chứa trong nhiên liệu Năng lượng hữu ích đầu ra của lò được mang