Điều khiển tối ưu quá trình cháy lò hơi

NGUYỄN ANH TUẤN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN ANH TUẤN ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH CHÁY LÒ HƠI LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA KHÓA 2009 Hà Nội - 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN ANH TUẤN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU QUÁ TRÌNH CHÁY LÒ HƠI Chuyên ngành: Điều khiển tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN HUY PHƯƠNG Hà Nội - 2012 Luận văn thạc sỹ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp “Điều khiển tối ưu trình cháy lò hơi” tự hoàn thành hướng dẫn thầy giáo TS Nguyễn Huy Phương Để hoàn thành đề tài này, sử dụng tài liệu ghi danh mục tham khảo, không sử dụng tài liệu khác mà không liệt kê phần tài liệu tham khảo Hà Nội ngày 02 tháng năm 2012 Học viên thực Nguyễn Anh Tuấn Luận văn thạc sỹ Mục lục Nội dung Trang Danh mục hình vẽ Mở đầu Lý lựa chọn đề tài Mục đích đề tài Chương I: Giới thiệu lò trình cháy Giới thiệu chung lò 1.1 Khái niệm trình hóa 1.2 Khái niệm lò Phân loại lò 10 2.1 Lò ống lửa 10 2.2 Lò ống nước 11 2.3 Lò buồng lửa tầng sôi 11 2.4 Lò đốt ghi 12 2.5 Lò sử dụng nhiên liệu phun 14 2.6 Lò sử dụng nhiệt thải 14 Quá trình cháy buồng lửa 15 3.1 Nhiên liệu sản phẩm cháy nhiên liệu 15 3.2 Các giai đoạn trình đốt cháy nhiên liệu 16 3.3 Quá trình sấy nóng sấy khô nhiên liệu 17 3.4 Giai đoạn thoát chất bốc tạo cốc 17 3.5 Giai đoạn cháy 17 3.6 Giai đoạn tạo tro xỉ 19 Giới thiệu lò công ty Thuốc Thăng Long 19 4.1 Các thông số lò 19 4.2 Quá trình vận hành hệ thống cấp hỗn hợp nhiên liệu cho lò 21 Kết luận 21 Chương II: Giới thiệu chung điều khiển tối ưu 22 Định nghĩa 22 Luận văn thạc sỹ Điều kiện hạn chế 22 Bài toán điều khiển tối ưu 23 3.1 Điều khiển tối ưu tĩnh 23 3.2 Điều khiển tối ưu động 34 Kết luận 47 Chương III: Tổng hợp điều chỉnh trình cháy lò công ty Thuốc Thăng Long 49 Đặt vấn đề 49 1.1 Mạch vòng 50 1.2 Mạch vòng 50 1.3 Sơ đồ công nghệ 50 Tính toán tham số điều chỉnh 51 2.1 Hàm truyền đạt chuyển đổi dòng điện 52 2.2 Hàm truyền đạt van gió 52 2.3 Hàm truyền đạt van nhiên liệu 52 2.4 Hàm truyền đạt cảm biến đo lưu lượng không khí lưu lượng nhiên liệu 53 2.5 Tính toán tham số mạch vòng điều chỉnh lưu lượng không khí 54 2.6 Tính toán tham số mạch vòng điều chỉnh lưu lượng nhiên liệu 57 Chương IV: Mô hệ thống matlab simulink 58 Giới thiệu phần mềm Simulink 58 Mô hệ thống 59 Kết luận 64 Tài liệu tham khảo 65 Luận văn thạc sỹ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Quá trình hóa đẳng áp Hình 1.2: Sơ đồ khối minh họa cấu trúc lò Hình 1.3: Minh họa cấu gia nhiệt cho nước không khí đầu vào 10 Hình 1.4: Mặt cắt lò ống lửa 10 Hình 1.5: Giản đồ lò ống nước 11 Hình 1.6: Buồng lửa ghi cố định 13 Hình 1.7: Buồng lửa ghi di động 13 Hình 1.8: Đốt cháy theo phương tiếp tuyến nhiên liệu phun 14 Hình 1.9: Giản đồ lò sử dụng nhiệt thải 15 Hình 1.10: Quan hệ nhiệt lượng tỏa với hệ số không khí thừa 19 Hình 2.1: Đồ thị hàm mục tiêu 25 Hình 2.2: Minh họa công thức biến phân 36 Hình 2.3: Mô tả nguyên lý tối ưu Bellman 40 Hình 2.4: Nguyên lý cực đại trường hợp tổng quát công thức biến 46 phân Hình 3.1: Sơ đồ điều khiển trình cấp lò 49 Hình 3.2: Sơ đồ công nghệ điều khiển trình cháy 50 Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc hệ thống 51 Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng lưu lượng không khí 54 Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng lưu lượng nhiên liệu 57 Hình 4.1: Sơ đồ mô hệ thống cấp không khí 59 Hình 4.2: Đáp ứng hệ thống cấp không khí 60 Hình 4.3: Sơ đồ mô hệ thống cấp nhiên liệu 60 Hình 4.4: Đáp ứng hệ thống cấp nhiên liệu 61 Hình 4.5: Sơ đồ mô hệ thống cấp hỗn hợp nhiên liệu 62 Hình 4.6: Biểu đồ tín hiệu đặt nhiên liệu cho hệ thống 62 Hình 4.7: Đáp ứng hệ thống theo tín hiệu đặt 63 Luận văn thạc sỹ MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài Lò mạng nhiệt hệ thống thiếu nhiều sở sản xuất công nghiệp thực phẩm, dệt may, hóa chất với nhiệm vụ chủ yếu sản xuất phân phối nước cho nhu cầu sấy, gia nhiệt, nấu, trùng nhu cầu phát điện nhà máy Lò mạng nhiệt khu vực tiêu thụ đáng kể loại nhiên liệu than, dầu, khí đốt Lò hơi, hệ thống phân phối nước hệ thống đường ống, van thiết bị phụ có nhiệm vụ phân phối nước tới hộ tiêu thụ giảm áp suất nước đến áp suất cần thiết hộ tiêu thụ riêng biệt Hơi nước sau sử dụng trao đổi nhiệt cho nhu cầu cần thiết biến đổi thành nước ngưng Nước ngưng có nhiệt độ cao nước đưa trở lại lò để biến đổi thành Như vậy, để tiết kiệm lượng hệ thống lò hơi, mạng nhiệt việc điều khiển trình lò thật cần thiết bao gồm việc tối ưu hóa trình cháy lò, tối ưu hóa trình trao đổi nhiệt lò giảm tổn thất nhiệt môi trường, tận dụng nhiệt thừa khói thải Xuất phát từ nhu cầu tiết kiệm lượng cải tạo hệ thống điều khiển lạc hậu hệ thống lò công ty Thuốc Thăng Long nhu cầu đầu tư hệ thống lò công ty, tạo điều kiện giúp đỡ nhà trường, Viện đào tạo Sau Đại học thầy giáo Nguyễn Huy Phương, em lựa chọn đề tài tốt nghiệp “Điều khiển tối ưu trình cháy lò hơi” Trong trình thực đề tài, em cố gắng hạn chế tối đa khiếm khuyết, xong trình độ thời gian hạn chế không tránh khỏi thiếu sót, kính mong Hội đồng Khoa học bổ sung đóng góp ý kiến để đề tài hoàn thiện tốt Mục đích đề tài Nghiên cứu trình cháy lò hơi, áp dụng luật điều khiển để cải tạo hệ thống điều khiển lò công ty Thuốc Thăng Long nhằm sản xuất lượng cách an toàn, hiệu quả, hợp lý, đảm bảo tính kinh tế trình cháy hiệu nhiệt lò Là để lựa chọn phương án kỹ thuật trình đầu tư hệ thống lò công ty Luận văn thạc sỹ CHƯƠNG I GIỚI THIỆU LÒ HƠI VÀ QUÁ TRÌNH CHÁY Giới thiệu chung lò 1.1 Khái niệm trình hóa Trong trình biến đổi từ nước sang hơi, nhiệt có tác dụng đưa nhhiệt độ nước lên đến ngưỡng hóa 1000C tương ứng với áp suất khí Tuy nhiên áp suất tăng giá trị nhiệt độ ngưỡng hóa nước bị tăng lên cao tương ứng Hình 1.1: Quá trình hóa đẳng áp Khi nước hóa hơi, nhiệt lượng cung cấp tiếp tục không làm cho nhiệt độ nước tăng lên làm bay tiếp lượng nước dạng lỏng, ta có giá trị nhiệt độ bão hòa (ts) Nếu không lẫn nước gọi khô, lẫn nước chưa hóa hết gọi ướt Đối với khô, tiếp tục gia nhiệt nhiệt độ vượt nhiệt độ bão hòa, thu nhiệt 1.2 Khái niệm lò Luận văn thạc sỹ Hình 1.2: Sơ đồ khối minh họa cấu trúc lò Lò thiết bị sinh thực hai nhiệm vụ chính: - Chuyển hóa lượng nhiên liệu buồng đốt thành nhiệt - Truyền nhiệt cho chất tải nhiệt - môi chất thông qua hệ thống ống dẫn đưa môi chất tới công đoạn sản xuất phía sau Thường lò chất tải nhiệt nước gia nhiệt thành bão hòa nhiệt Trên hình 1.1 giới thiệu cấu tạo lò Lò gồm hai thành phần: hệ thống biến đổi nước - nước (phần hóa hơi), hệ thống biến đổi nhiên liệu không khí - khí thải (phần gia nhiệt - phần đốt) Trong phần hóa hơi, đầu vào nước, đầu hơi, xảy trình hấp thu nhiệt nước, nhiệt độ đạt đến điểm hóa bắt đầu sinh Tại phần đốt, trước vào buồng đốt, nhiên liệu trộn với không khí theo tỷ lệ thích hợp để đạt hiệu suất cháy tối ưu Nhiệt lượng tỏa hệ thống ống dẫn nước hấp thu để gia nhiệt cho nước Khí thải trình đốt hỗn hợp nhiên liệu không khí tích lượng lớn nhiệt, đường dẫn khí thải bố trí thêm cấu trao đổi nhiệt với đường ống dẫn nước đường dẫn khí vào Việc gia nhiệt cho không khí có tác dụng giảm mức tổn hao nhiên liệu cung cấp cho trình cháy Luận văn thạc sỹ Hình 1.3: Minh họa cấu gia nhiệt cho nước không khí đầu vào Lò bao gồm phận sau: Bao hơi, van chính, đường nước cấp, đường cấp nhiên liệu, buồng lửa không gian để đốt cháy tất nhiên liệu cấp vào lò, phễu tro lạnh để làm nguội hạt tro xỉ trước thải trương hợp thải xỉ khô, giếng xỉ để hứng tất xỉ thải ngoài, bơm nước cấp, ống khói, sấy không khí, quạt gió, hâm nước, dàn ống nước xuống, dàn ống nước lên, dãy feston - dàn ống sinh nhiệt, lọc bụi để tránh mài mòn cánh quạt khói Phân loại lò 2.1 Lò ống lửa (Fire Tub Boiler) Với loại lò này, khí nóng qua ống nước cấp cho lò phía chuyển thành Lò ống lửa thường sử dụng với công suất tương đối thấp áp suất trung bình Do đó, sử dụng lò dạng ưu với tỷ lệ lên tới 12.000 kg/giờ áp suất lên tới 18 kg/cm2 Các lò sử dụng với dầu, ga nhiên liệu lỏng Hình 1.4: Mặt cắt Lò ống lửa 10 Luận văn thạc sỹ tượng phụ thuộc chủ yếu vào van điều khiển Vì ta chọn luật điều khiển PI cho trình Từ ta có sơ đồ cấu trúc hệ thống sau: Đặt nhiên liệu K RF1(s) KI/P GVG(s) Quá trình cháy Gs1(s) RF2(s) KI/P GNL(s) Gs2(s) Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc hệ thống Trong đó: GVG(s): hàm truyền đạt van gió 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 không khí K ≈ 10,13 RF1(s), RF2(s): điều chỉnh sử dụng luật PI * Tóm tắt hoạt động sơ đồ: Khi có tín hiệu nhiên liệu đưa tới đầu vào, tín hiệu đưa tới hai điều khiển lưu lượng không khí lưu lượng nhiên liệu Tín hiệu đưa vào điều chỉnh nhiên liệu nhân thêm hệ số K đặt tay tỷ lệ nhiên liệu không khí Tín hiệu nhiên liệu sau đưa vào điều chỉnh sử lý điều chỉnh đưa tín hiệu cho chuyển đổi dòng điện khí nén Bộ chuyển đổi dòng điện khí nén tác động mở van theo yêu cầu Tính toán tham số điều chỉnh 51 Luận văn thạc sỹ 2.1 Hàm truyền đạt chuyển đổi dòng điện - khí nén (I/P) Bộ chuyển đổi I/P chọn PK200 hãng YOKOGAWA có tín hiệu đầu vào dòng điện I: ÷ 20 mA tín hiệu đầu áp suất khí nén P: 0,2 ÷ 1KG/cm2 Như thiết bị có hàm truyền khâu khuếch đại với hệ số khuếch đại K xác định sau: ⎡ KG / cm2 ⎤ ∆Pmax − 0,2 K= = = 0,05⎢ ⎥ ∆I max 20 − ⎣ mA ⎦ 2.2 Hàm truyền đạt van gió Trong thực tế hàm truyền van thường coi khâu quán tính bậc có trễ, lấy gần xem khâu quán tính bậc nhất: GVG (s) = Trong K VG −τs e + Tv s K: hệ số khuếch đại van TV: Hằng số thời gian van, lấy T = 10s τ: Hằng số thời gian trễ van, lấy τ = 1s Khi tín hiệu vào thay đổi từ 0,2 ÷ 1KG/cm2 độ mở van thay đổi từ ÷ 80%, hệ số khuếch đại van là: K VG = 80 ⎡ % dé më ⎤ = 100 ⎢ − 0,2 ⎣ KG/cm ⎥⎦ Khi độ mở van thay đổi từ ÷ 80% lưu lượng không khí qua van thay đổi từ 450 ÷ 7.200 m3/h Từ hệ số truyền liên hệ lưu lượng khí qua van độ mở van là: ⎡ m3 / h ⎤ 7200 − 450 KT = = 90 ⎢ ⎥ 80 − ⎣ % dé më ⎦ Kết hợp hàm truyền ta có hàm truyền đạt với tín hiệu vào áp suất khí nén tín hiệu lượng không khí cấp qua cấu van: GVG (s) = 9000 -s e + 10s ⎡ m3 / h ⎤ ⎢ KG / cm2 ⎥ ⎣ ⎦ 2.3 Hàm truyền đạt van nhiên liệu 52 Luận văn thạc sỹ GNL (s) = K NL −τs e + Tvs Khi tín hiệu vào thay đổi từ 0,2 ÷ 1KG/cm2 độ mở van thay đổi từ ÷ 100%, hệ số khuếch đại van là: K NL = 100 ⎡ % dé më ⎤ = 125 ⎢ − 0,2 ⎣ KG/cm ⎥⎦ Khi độ mở van thay đổi từ ÷ 100% lưu lượng nhiên liệu qua van thay đổi từ ÷ 472 kg/h Từ hệ số truyền liên hệ lưu lượng nhiên liệu qua van độ mở van là: KT = 472 ⎡ kg / h ⎤ = 4,72⎢ ⎥ 100 ⎣ % dé më ⎦ Kết hợp hàm truyền ta có hàm truyền đạt với tín hiệu vào áp suất khí nén tín hiệu lượng nhiên liệu cấp qua cấu van: GNL (s) = 590 -s e + 10s ⎡ kg / h ⎤ ⎢⎣ KG / cm2 ⎥⎦ 2.4 Hàm truyền đạt cảm biến đo lưu lượng không khí lưu lượng nhiên liệu Đường đặc tính cảm biến đo lưu lượng không khí đường thẳng tuyến tính lưu lượng không khí dòng điện chênh áp sinh Khi lưu lượng không khí dòng điện sinh ra, lưu lượng đạt tới giới hạn lớn 9.000 m3/h lúc đầu cảm biến có dòng điện cực đại 20mA Hàm truyền cảm biến lưu lượng không khí sau: G s1 (s ) = K s1 = K s1 + Tf s I max 20 ⎡ mA ⎤ = = Qmax 9000 450 ⎢⎣ m3 ⎥⎦ Tf Thời gian trễ khâu đo lường lấy Tf = 0,05s Hàm truyền cảm biến đo lưu lượng không khí là: Gs1 (s) = 450(1 + 0,05s) Hàm truyền cảm biến lưu lượng nhiên liệu sau: 53 Luận văn thạc sỹ G s (s ) = K s2 = K s2 + Tf s 20 ⎡ mA ⎤ I max = Qmax 472 ⎢⎣ kg ⎥⎦ Tf Thời gian trễ khâu đo lường lấy Tf = 0,05s Hàm truyền cảm biến đo lưu lượng nhiên liệu là: Gs2 (s) = 20 472(1 + 0,05s) 2.5 Tính toán tham số mạch vòng điều chỉnh lưu lượng không khí Sơ đồ cấu trúc mạch vòng lưu lượng không khí KI/P RF1(s) GVG(s) Gs1(s) Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng lưu lượng không khí Hàm truyền đối tượng điều chỉnh là: GĐT1 (s) = GVG (s) x Gs1 (s) x K I/P e− s = (1 + 10s)(1 + 0,05s) Bộ điều chỉnh lựa chọn luật PI ta có ⎛ ⎞ k p (1 + Ti s) ⎟⎟ = RF1 (s) = k p ⎜⎜1 + T s Ti s ⎝ i ⎠ Lấy gần e = −s 1+ s Hàm truyền hệ hở là: GH1 (s) = RF1 (s) GĐT1 (s) = k p (1 + Ti s) Ti s(1 + 10s)(1 + 0,05s)(1 + s) Tín hiệu sai lệch là: 1 E(s) = = s + GH s 1+ k p (1 + Ti s) Ti s(1 + 10s)(1 + 0,05s)(1 + s) 54 Luận văn thạc sỹ = Ti (1 + 10s)(1 + 0,05s)(1 + s) Ti s(1 + 10s)(1 + 0,05s)(1 + s) + k p (1 + Ti s) Ti + 11,05Ti s + 10,55Ti s2 + 0,5Ti s3 = k p + (Ti + k p Ti )s + 11,05Ti s2 + 10,55Ti s3 + 0,5Ti s4 Tra bảng 2.1 cho trường hợp n = với: c0 = Ti; c1 = 11,05Ti; c2 = 10,55Ti; c3 = 0,5Ti d0 = kp; d1 = Ti + kpTi; d2 = 11,05Ti; d3 = 10,55Ti; d4 = 0,5Ti Ta sử dụng chương trình matlap để tính hàm mục tiêu sau: >> syms t k >> c0=t; >> c1=11.05*t; >> c2=10.55*t >> c3=0.5*t; >> d0=k; >> d1=t+k*t; >> d2=11.05*t; >> d3=10.55*t; >> d4=0.5*t; >> f1 = c3^2 * (d0 * d1 * d2 - d0^2 * d3) + (c2^2 - * c1 * c3) * d0 * d1 * d4 + (c1^2 - * c0 * c2) * d0 * d3 * d4 + c0^2 * (d2 * d3 * d4 -d1 * d4^2) >> f2 = * d0 * d4 * (d1 * d2 * d3 - d0 * d3^2 - d1^2 * d4) >> Q=f1/f2 >> expand(Q) ta có hàm mục tiêu: Q= 846220 k 2p Ti − 42200 k 2p − 4000 k p Ti2 + 9370831k p Ti + 928620Ti2 1849240 k 2p Ti − 8000 k 3p Ti − 1780840 k 2p + 1857240 k p Ti → Đối với đối tượng điều chỉnh khâu quán tính có trễ ta tính hệ số Ti, kp theo phương pháp Haalman kp = 2T * 10 = = 0,0007 3kτ * 9000 * 55 Luận văn thạc sỹ Ti = τ = Để tìm tham số tối ưu ta lấy khoảng Ti kp sau: Ti = 0,1 ÷ 100 kp = 0,0001 ÷ Sử dụng chương trình matlab sau để tìm giá trị nhỏ Q T1, kp tương ứng: >> Q=100000; >> A=[0 0]; >>f=inline('(846220 * kp^2 * ti - 42200*kp^2 - 4000*kp*ti^2 + 9370831 * kp * ti + 928620 *ti^2) / (1849240 * kp^2 * ti - 8000 * kp^3 *ti - 1780840 * kp^2 + 1857240 * kp * ti)','ti','kp'); >> for ti=0.1:0.1:100, for kp=0.0001:0.0001:1, if f(ti,kp)