Ứng dụng logic mờ thiết kế bộ điều khiển tốc độ tuabin khí

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  NGUYỄN PHẠM CÔNG ĐỨC ỨNG DỤNG LOGIC MỜ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN KHÍ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA Đà Nẵng – Năm 2018 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hoàng Mai Phản biện 1: PGS TS Lê Tiến Dũng Phản biện 2: TS Hà Xuân Vinh Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ ngành Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 19 tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa  Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Động tua bin khí với khối lượng kích thước nhỏ gọn so với loại động cơng suất khác, có tính động cao, công suất lớn ứng dụng rộng rãi trạm phát điện tĩnh phương tiện giao thông vận tải Từ xuất nay, động tua bin khí khẳng định tính ưu việt loại động thay ngành hàng không lĩnh vực tàu thủy Các hệ thống khai thác nhiệt diesel, tua bin (steam turbine), tua bin khí (Gas turbine) tuabin khí loại thiết bị vận hành có hiệu suất cao Đồng thời cấu trúc hệ thống nhỏ gọn thường dùng cho thiết bị di động máy bay, tàu thủy Ngày nhiều ứng dụng chỗ dùng tuabin khí nhà máy nhiệt điện tuabin khí, thiết bị quay cao tốc Tính cấp thiết đề tài Đặc điểm tuabin khí cấu tạo đơn giản, hỏng hóc tuổi thọ lớn Nhược điểm chúng đặc tính điều khiển phức tạp, độ phi tuyến cao khó biến đổi thơng số trực tiếp Từ tác giả chọn hướng nghiên cứu thiết kế điều khiển cho tổ hợp tua bin khí với mục đích xây dựng cấu trúc không phức tạp, đảm bảo tính đáp ứng nhanh khả kháng nhiễu tốt, thay đổi tham số hệ thống, đề tài “Ứng dụng logic mờ thiết kế điều khiển tốc độ tua bin khí” thực nhằm nâng cao chất lượng động học điều khiển tua bin khí Mục tiêu đề tài - Mơ hình hóa hệ thống tua bin khí xây dựng hệ thống Matlab - Nghiên cứu lý thuyết điều khiển PID mờ để thiết kế điều khiển cho tổ hợp tua bin khí kiểm tra hoạt động hệ thống Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu: Là hệ thống tua bin khí * Phạm vi nghiên cứu: Động học, nguyên lý làm việc ứng dụng logic mờ điều khiển tốc độ tua bin khí Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động tua bin khí yếu tố khác liên quan đến làm việc tua bin khí - Nghiên cứu lý thuyết mờ ứng dụng phi tuyến - Nghiên cứu thiết kế điều khiển tua bin khí - Mơ kiểm chứng thuật toán điều khiển Ý nghĩa khoa học thực tiễn * Ý nghĩa khoa học: Đề tài nghiên cứu mơ hình tuabin khí, ứng dụng logic mờ cho điều khiển tua bin khí, có so sánh chất lượng động học để đánh giá tốt so với nhiều phương pháp PID kinh điển * Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài hoàn thành tài liệu quan trọng nhằm phục vụ điều khiển tua bin khí để nâng cao chất lượng ổn định hệ thống Cấu trúc luận văn Ngoài chương mở đầu kết luận luận văn có phần chương sau: Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan điều khiển tua bin khí Chƣơng 2: Mơ hình hóa tổ hợp tuabin khí Chƣơng 3: Thiết kế bơ điều khiển mờ điều khiển tốc độ tua bin khí Chƣơng 4: Kết mô nhận xét CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN TUABIN KHÍ 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Cấu tạo Tuabin khí 1.2.1 Khối nén khí 1.2.2 Buồng đốt 1.2.3 Tuabin 1.2.4 Hệ thống thấp áp – cao áp 1.3 Các phƣơng pháp điều khiển Tua bin khí 1.3.1 Các nghiên cứu nước 1.3.2 Các nghiên cứu nước CHƢƠNG MƠ HÌNH HĨA TỔ HỢP TUA BIN KHÍ 2.1 Nguyên lý hoạt động tua bin khí Như hình 1, khơng khí (thuật ngữ chun mơn gọi khí khơ – dry air) theo đường vào máy nén , máy nén tăng áp theo đường để vào buồng đốt, nhiên liệu phun vào đốt cháy khí tạo áp suất cao, sau nhờ hệ thống nén để đẩy khí cao áp vào đường ống để đến tua bin, làm quay tua bin Khí xả đưa đường ống Tua bin quay quay trực tiếp qua hộp giảm tốc để nối với tải phía sau Việc điều khiển chiều quay tua bin thực qua van đảo chiều Trong hệ thống van hai hướng điều khiển thông qua cấu thủy lực để thay đổi chiều luồng khí cao áp vào tua bin Kết làm tua bin đổi chiều quay Tuy nhiên tốc độ quay tua bin lớn nên việc đảo chiều phải thực theo đặc tính hãm qua điểm zero để giảm tối đa mômen ngược trục quay Hình 2.1: Bộ điều khiển tua bin khí 2.2 Mơ hình tốn học hệ thống tua-bin khí (GT- Gas Turbine) +Chu trình Brayton thực tế Hình 2.3: Chu kỳ Brayton thực tế Thực tế, làm việc, ma sát nhiệt, truyền nhiệt qua vách ngăn đường ống nên có tổn thất áp suất từ đầu đến cuối q trình Do chu trình Brayton thực tế khác chút so với chu trình lý tưởng Hiệu suất bước trình: ŋcomp = ŋturb = = = (2.9) (2.10) + Mơ hình tốn học hệ thống Xét cấu trúc nghiên cứu cụ thể GT hình 2.6 Hình 2.6: Mơ hình HDGT (Heavy Duty Gas Turbine) Rowen Dựa Mơ hình hệ HDGT (Heavy Duty Gas Turbine) ta có mơ hình khối hệ hình 2.7 Hình 2.7: Sơ đồ khối hệ thống tuabin khí -Đường ống vào: inlet -Máy nén : compressor -Buồng đốt : combustor -Tuabin: turbine -Ống phản lực: jet pipe -Ống xả: nozzle -Rotor Trên hình 2.7 mơ tả cấu trúc toán học hệ HDGT tác giả Rowen đề xuất Hình 2.8: Mơ hình tốn học hệ HDGT (Heavy Duty Gas Turbine) Dựa vào chu trình Brayton thực tế hình 2.3 Ta có hiệu suất bước trình: Hiệu suất máy nén: ŋcomp = = Hiệu suất tuabin : ŋturb = ( ( ) ( ( ) ) ) = ( ) ( ) (2.32) (2.33) (2.34) (2.35) Sử dụng công thức (2.32) (2.34), nhiệt độ buồng đốt tính cơng thức: T2 = T1 ( ) (2.36) Và với công thức (2.33) (2.35, nhiệt độ tua bin tính sau: T4 = T3 ( ( ) ) (2.37) Một trình khác ảnh hưởng đến hoạt động HDGT trình diễn buồng đốt, tức giao đoạn 2-3 hình 2.2 Khi áp suất buồng đốt không đổi cho ta biểu thức sau ̇ ̇ (2.38) ̇ (kg/s) tỷ lệ luồng khí vào Nhiệt tạo Trong thành cách chiết suất lượng từ nhiên liệu sau: ̇ Ở ̇ ̇ (2 39) (kJ/s) tỷ lệ hấp thụ nhiệt lò đốt, suất buồng đốt, ̇ (kg/s) tỷ lệ luồng nhiên liệu hiệu (kJ/kg) lượng calorific thấp lượng nhiệt thấp nhiên liệu sử dụng Hiệu suất buồng đốt lượng nhiên liệu bơm vào buồng đốt bị đốt cháy hoàn toàn Đối với thiết kế đại, hiệu suất lò đốt cao gần 100% Sử dụng công thức (2.38) (2.39) gia tăng nhiệt độ lò đốt tính sau: T3 = T2 + ̇ = T2 + To ̇ ̇ ̇ (2.40) Ở To ký hiệu gia tăng nhiệt Trên thực tế, nhiệt độ tỷ lệ áp suất bên phản ứng tổng thể trình HDGT thay đổi theo tốc độ tua bin Quá trình phi tuyến nên làm phức tạp thêm cho mơ hình Tuy nhiên, theo mơ hình Rowen, trình giả thiết tốc độ cách áp dụng giới hạn tốc độ 95% đến 107% tốc độ định mức xem hình 2.7 Lúc cơng suất đầu tuabin là: ̇ - (2.41) Phương trình (2.41) viết dạng khối sau: ̇ tốc độ định mức Trong đó: A= B= ̇ ( , ̇ ( ) - (2.42) ) (2.43) Ở tốc độ định mức, nhiệt độ khí xả tính cách thay công thức (2.40) ( 2.41) vào cơng thức (2.37), ̇ D= ̇ ̇ * tốc độ định mức ( ) + (2.44) Ở D hệ số khối nhiệt độ xả TR nhiệt độ xả định mức mơ hình HDGT Bây xác định hệ số hệ thống van nhiên liệu Trong mơ hình HDGT tỷ lệ lưu lượng dòng nhiên liệu định mức tương ứng với tốc độ tuabin Hình 2.9 Bộ định vị van nhiên liệu Bộ định vị van nhiên liệu điều khiển truyền động van đến vị trí van tương ứng so với điểm đặt Trong hình 2.9, ta thấy định vị van kết nối với truyền động van hệ thống van Ở thực tế mơ hình HDGT hoạt động với nhiên liệu lỏng khí, mơ hình hệ thống nhiên liệu chủ yếu hai hệ thống khác với khối tương tự Trong HDGT lớn hơn, hai 10 lớn Hiện việc thiết kế điều khiển mờ phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm vận hành hệ thống kiến thức chuyên gia mà chưa có phương pháp chuẩn hố đề thiết kế điều khiển mờ 3.2 Thiết kế điều khiển mờ lai PID cho hệ thống tuabin khí 3.2.1 Xây dựng cấu trúc điều khiển Khi thiết kế điều khiển PID cho hệ thống tuyến tính, ta thấy chất lượng điều khiển hệ thống phụ thuộc vào thông số điều khiển điều khiển PID, cụ thể thông số KP, KI, KD Nhưng hệ số điều khiển PID tính tốn cho chế độ làm việc cụ thể hệ thống, hệ thống hoạt động thơng số hệ thống bị thay đổi điển hình điện trở phần ứng, momen qn tính,…do nhiều yếu tố, yếu tố nhiệt độ nhiễu lớn Khi điều khiển PID không đáp ứng tốt ban đầu, chí khơng đáp ứng hệ thống Do trình vận hành cần phải chỉnh định hệ số cho phù hợp với thực tế để phát huy tốt hiệu điều khiển Có nhiều phương pháp để chỉnh định thông số điều khiển PID dùng mạng anfis, mạng nơron, phương pháp trượt, mờ, mờ trượt,…Trong nghiên cứu sử dụng phương pháp điều khiển mờ tính tường minh, đơn giản dễ kiểm nghiệm kết Như thiết kế điều khiển mờ để định thông số điều khiển PID trình hoạt động Ta xây dựng cấu trúc điều khiển điều khiển mờ lai PID sau: Đầu tiên sử dụng điều khiển PID để điều khiển vòng cho mạch vòng điều chỉnh tốc độ hệ truyền động điện chiều, sau dùng điều khiển mờ vòng ngồi để tự 11 động chỉnh định thông số KP, KI, KD điều khiển PID với tham số KP, KI, KD lấy từ kết thực nghiệm mơ hình hóa dựa vào thuật tốn Nichols Ziegler Hình 3.13 Sơ đồ hệ thống mơ điều khiển PID Đặt Ki = Kd = Tăng Kp = 165 đến hệ thống giao động tuần hồn Ta có kết đầu điều khiển: Hình 3.14 Kết mơ sử dụng điều khiển PID Đặt giá trị Kp = Ku Ta có chu kỳ giao động Tu = 4s Sử dụng Thuật toán Nichols – Ziegler với điều khiển PID cổ điển: 12 Kp Ki Kd 33 0.018 44 Kết đầu điều khiển PID: Hình 3.14 Kết mô sử dụng điều khiển PID Qua kết mô điều khiển ta thấy với điều khiển PID thời gian độ 22 giây Về tiêu độ điều chỉnh, sử dụng điều khiển PID độ điều chỉnh lên đến 0.05% số nhỏ, thông số tốt, làm cho trình mở máy hệ thống truyền động điện an tồn Về sai lệch tĩnh phương pháp điều khiển PID khơng có, đáp ứng tốt với u cầu hệ thống Tuy nhiên tăng tham số nhiễu lên điều khiển dần ổn định Sau thiết kế điều khiển PID, dựa vào thông số KP, KI, KD để xây dựng điều khiển mờ Đầu vào điều khiển mờ sai lệch (kí hiệu e) tốc độ đặt so với tốc độ thực tế hệ thống tuabin khí đạo hàm sai lệch de/dt (kí hiệu de) Đầu điều khiển mờ hệ số KP, KI, KD Để điều khiển hệ thống đóng mở van nhiên liệu buồng đốt tua bin khí 3.2.2 Tính tốn thơng số điều khiển mờ lai PID Mờ hóa - Giá trị đặt [0÷1] tương đương với tỷ lệ đóng mở van nhiên liệu [0÷100] (%) Luật hợp thành 13 Với tập mờ đầu vào, ta xây dựng x = 25 luật điều khiển - Luật hợp thành cho hệ số KI Bảng 3.1 Bảng luật hợp thành hệ số KP KP (RẤT NHỎ, NHỎ, KHÔNG, LỚN, RẤT LỚN) e/de RN(RẤT NHỎ) N(NHỎ) K (KHÔNG) L(LỚN) RL(RẤT LỚN) RC (RẤT CHẬM) C (CHẬM) K (KHÔNG) N N N N N N K K K RL RL RL RL RL RL N (NHANH) RN(RẤT NHANH) RN RN RN RN K K L L L L - Luật hợp thành cho hệ số KI Bảng 3.2 Bảng luật hợp thành hệ số KI KI (RẤT NHỎ, NHỎ, KHÔNG, LỚN, RẤT LỚN) e/de RC(RẤTCHẬM) RN(RẤT NHỎ) N (NHỎ) K (KHÔNG) L (LỚN) RL(RẤT LỚN) N N K RL RL C (CHẬM) N N K RL RL K (KHÔNG) N N K RL RL N (NHANH) RN RN K L L RN(RẤT NHANH) RN RN K L L - Luật hợp thành cho hệ số KD Bảng 3.3 Bảng luật hợp thành hệ số KD KD (RẤT NHỎ, NHỎ, KHÔNG, LỚN, RẤT LỚN) e/de RC(RẤTCHẬM) RN (RẤT NHỎ) N (NHỎ) K (KHÔNG) L (LỚN) RL(RẤT LỚN) RL RL K K K C (CHẬM) L L K K K K (KHÔNG) L L K N K N (NHANH) K K K N K RN(RẤT NHANH) K K K RN K Chọn luật hợp thành Sum-Prod - Giải mờ Giải mờ phương pháp điểm trọng tâm 14 CHƢƠNG MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 4.1 Sơ đồ hệ thống mơ phòng mờ PID Trong luận văn tác giả lấy thông số Tuabin với công suất 172 MW để mô Đây tuabin đơn hệ HDGT với khí làm nhiên liệu (áp suất bao quanh atm, độ ẩm tương đối 60% nhiệt độ 15o).Cần lưu ý tính tốn sau đây, tổn thất áp suất lóc khí vào q trình đốt nhiên liệu bỏ qua Bảng 4.1:Thơng số định danh mơ hình hệ HDGT Tham số Ký hiệu Đơn vị Giá trị PGn MW 172.2 Công suất định mức Tần số danh định Tốc độ Tua bin f Hz 50 RPM RPM 3000 ̇ kg/s 537 Khí thải Nhiệt độ khí thải TR Tỷ lệ áp suất PR 522 - 15.4 Bảng 4.2:Các thơng số tính tốn hiệu suất máy nén tuabin hoạt động Tham số Ký hiệu Đơn vị Giá trị Công suất đầu T3 MW 146.4 Nhiệt đồ đầu vào tua bin T3 1100 Nhiệt độ khí thải T4 532 Nhiệt độ mơi trường xung quanh T1 27.3 Khí thải mn kg/s 438.1 ̇ kg/s 8.34 H kJ/kg 43094 Nhiệt dung khí q trình nén Cph kJ/kgK 1.1569 Nhiệt dung khí buồng đốt Cpc Lưu lượng nhiên liệu Nhiệt trị thâp nhiên liệu kJ/kgK 1.0047 Tỷ số gia nhiệt trình nén - 1.33 Tỷ số gia nhiệt buồng đốt - 1.4 15 Hiệu suất tuabin: Từ công thức (2.35) với liệu bảng I II, ta tính nhiệt độ tua bin T4s trình đẳng nhiệt sau: ( xh(oc) ) ( ) ( ) ̇ T4s(oc) (4.1) (4.2) Hiệu suất tua bin theo công thức (2.10) là: ŋt (4.3) Hiệu suất máy nén nhiệt độ máy nén trình đẳng nhiệt tính từ (2.34): ( xc(oc) T2s ) ( ) ( ) (4.4) ̇ T1(oc) x xc(oc) = (27.3 +273) x 2.06 = 618.62 K = (4.5) Ở Nhiệt độ đầu máy nén tính từ cơng thức (2.40): T2(oc) T3(oc) – ŋcomb ̇ 1100 – 0.99 x (4.6) ̇ x (4.7) Hiệu suất đốt cháy buồng đốt gần tuyệt đối Với hiệu suất 0,99 giả định cho hệ thống buồng đốt luận văn Theo (2.9) Ta có hiệu suất máy nén là: ŋc (4.8) Từ thông số cho hoạt động định mức tuabin Bảng I Ta có, xh xc tính sau: xh 15.4 (4.9) xc 15.4 (4.10) 16 Từ công thức (2.42) (2.43) sử dụng để tính thơng số khối cơng suất tua bin hình 2.6 sau: A ( { x [1.0047 – 1.1569 x 0.89 x ( )]} ) -0.158 (4.11) Trong công thức (2.43) lưu lương nhiên liệu định mức cân thiết Nó sở để tạo cơng suất định mức tốc độ định mức tuabin Do đó, từ công thức (2.43) ̇ B ( ) = 0.1068 ̇ (4.12) Và: ̇ = ̇ ̇ (4.13)  B= 1.1580 Và lưu lượng định mức để xác định nhiệt độ xả tuabin Từ công thức (2.45) tham số nhiệt độ xả D tính sau: [1- ( D ) ]= (4.14) Ở đây, ta chọn thông số khối momen tuabin khí C = 0.5 nhiệt độ khí thải E = 0.6 x TR = 313oC Lượng nhiên liệu tiêu thụ tua bin làm việc không tải lượng nhiên liệu tối thiểu để trì trình đốt buồng đốt cho Bảng 4.3 = ̇ = 0.24 (4.15) Và Min F = = -0.13 (4.16) 17 Bảng 4.3:Lượng nhiên liệu tối thiểu để trì buồng đốt hoạt động khơng tải Tham số Đơn vị Giá trị Lƣu lƣợng nhiên liệu không tải kg/s ~ 2.56 Lƣu lƣợng nhiên liệu tối thiểu để trì buồng đốt kg/s ~ 1.5 Bảng 4.4:Dữ liệu để tính độ trễ hệ thống nhiên liệu Tham số Đơn vị Giá trị Nhiên liệu Gas Áp suất nhiên liệu Nhiệt độ trung bình atm 21 K 320 Bảng 4.5: Dữ liệu để tính độ trễ khâu xả máy nén Tham số Đơn vị Nhiên liệu Giá trị Gas Nhiệt độ trung bình K ~1050 Thể tích xả m3 ~16 Hệ thống nhiên liệu: Hằng số thời gian trễ hệ thống nhiên liệu điều kiện nhiệt động lực học hệ thống nhiên liệu cho điểm hoạt động điển hình biết đến Khi vận hành với nhiên liệu khí, phép đo gần tính chất nhiệt động học metan sử dụng để tính biến đổi mật độ thay đổi áp suất [12] [từ công thức (19) Bảng IV]: ( )| ( ) ( ) | = 0.78 (4.17) Và sử dụng liệu Bảng IV, ta có: TFS = x 0.17 m3 x 0.78 = 0.26 s (4.18) Thời gian vận hành định vị van dựa vào thông số nhà sản xuất Ở thời gian định vị Van nhiên liệu b = 10 ms Độ trễ thời gian độ trễ Xả: TTD=40 ms Ngồi có thời gian trễ khâu xả máy nén Sử dụng tính chất nhiệt động lực học liệu Bảng V, từ 18 công thức (2.45) sử dụng để ước lượng số thời gian trễ khâu xả cảu máy nén sau: ( )| ( ) ( ) | = 0.36 (4.19) Nhiệt độ trung bình 1050 K giả định đáy lối vào tuabin [xem Bảng 4.5] Nhiệt độ trung bình khâu thải khối nén khí : TCD = x 16 m3 x 0.36 = 0.16s (4.20) Bảng giá trị tham số sử dụng cho mơ hình HDGT thống kê sau: Bảng 4.6: Bảng giá trị tham số sử dụng cho mơ hình HDGT Tham số ... hợp tuabin khí Chƣơng 3: Thiết kế bơ điều khiển mờ điều khiển tốc độ tua bin khí Chƣơng 4: Kết mô nhận xét CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN TUABIN KHÍ 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Cấu tạo Tuabin khí. .. Rowen CHƢƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI PID CHO HỆ THỐNG TUABIN KHÍ 3.1 Logic mờ điều khiển mờ 3.1.1 Khái quát lý thuyết điều khiển mờ 3.1.2 Định nghĩa tập mờ 3.1.3 Biến mờ, hàm biến mờ, biến... điều khiển mờ để định thông số điều khiển PID trình hoạt động Ta xây dựng cấu trúc điều khiển điều khiển mờ lai PID sau: Đầu tiên sử dụng điều khiển PID để điều khiển vòng cho mạch vòng điều