Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển phân tán DCS cho nhà máy nhiệt điện na dương

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Lã Xuân Hiệu NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) CHO NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NA DƯƠNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Lã Xuân Hiệu NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) CHO NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NA DƯƠNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐỖ MẠNH CƯỜNG Hà Nội - Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển phân tán (DCS) cho nhà máy nhiệt điện Na Dƣơng” tự thiết kế dƣới hƣớng dẫn thầy giáo TS ĐỖ MẠNH CƢỜNG Các số liệu sử dụng trình thiết kế luận văn đƣợc lấy từ tài liệu nhà máy nhiệt điện Na Dƣơng Trong trình thiết kế luận văn, sử dụng tài liệu đƣợc liệt kê phần tài liệu tham khảo Nếu phát có sử dụng nguồn tài liệu khác tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm HỌC VIÊN Lã Xuân Hiệu MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN, ĐẶC TRƢNG CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NA DƢƠNG 10 1.1 Giới thiệu chung nhà máy nhiệt điện .10 1.1.1 Giới thiệu nhà máy 10 1.1.2 Thông số kĩ thuật nhà máy .10 1.2 Quy trình sản xuất nhiệt điện 15 1.3 Điều khiển cơng nghệ cho phần nhà máy 18 1.3.1 Điều khiển kết hợp gió, nhiên liệu máy phát 18 1.3.2 Điều khiển gió 19 1.3.3 Điều khiển dòng nhiên liệu điều chỉnh lƣợng than cấp 21 1.3.4 Điều khiển áp suất 22 1.3.5 Điều khiển nhiệt độ đầu máy nghiền PF .24 1.3.6 Điều khiển lƣu lƣợng máy nghiền PF 24 1.3.7 Điều khiển áp suất buồng đốt 25 1.3.8 Điều khiển gió sơ cấp 26 1.3.9 Điều khiển nhiệt độ nóng lạnh 26 1.3.10 Điều khiển nhiệt độ nóng sơ cấp 27 1.3.11 Điều khiển nhiệt độ nhiệt 28 1.3.12 Điều khiển nhiệt độ gia nhiệt bổ sung 29 1.3.13 Điều khiển van cánh hƣớng .30 1.3.14 Điều khiển áp suất dầu cháy 31 1.3.15 Điều khiển tốc độ tuabin 31 1.3.16 Điều khiển bình ngƣng/mức bình ngƣng .32 1.3.17 Điều khiển mức nƣớc bình thử khí 32 1.3.18 Điều khiển hâm nƣớc cấp thấp áp LP .33 1.3.19 Điều khiển hâm nƣớc cấp cao áp HP 33 1.3.20 Vòng điều khiển hệ thống phụ cho Tuabin 34 1.3.21 Điều khiển mực nƣớc bao .34 CHƢƠNG 2: LỰA CHỌN GIẢI PHÁP, CẤU HÌNH HỆ THỐNG DCS 36 2.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán 36 2.2 Chức hệ DCS 38 2.3 Hệ thống DCS CS 3000 Yokogawa 38 2.3.1 Cấp quản lý nhà máy .38 2.3.2 Cấp giám sát - huy .39 2.3.3 Cấp điều khiển 40 2.4 Hệ thống mạng CS 3000 41 2.5 Tìm hiểu phần mềm CS3000 - Yokogawa 43 2.5.1 Tổng quan System View .43 2.5.2 Khởi động System View 43 2.5.3 Khởi tạo Project 45 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG, MÔ PHỎNG CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ DCS 49 3.1 Điều khiển trình .49 3.1.1 Điều khiển trình 49 3.1.2 Các đặc trƣng trình .50 3.1.3 Phƣơng pháp nhận dạng đối tƣợng 52 3.2 Sách lƣợc điều chỉnh 54 3.2.1 Khái niệm sách lƣợc điều chỉnh 54 3.2.2 Điều khiển phản hồi - Feedback 54 3.2.3 Điều khiển truyền thẳng - Feedforward 56 3.3 Phƣơng pháp chỉnh định 60 3.3.1 Phƣơng pháp đáp ứng bậc thang 61 3.3.2 Phƣơng pháp dựa đặc tính dao động tới hạn 62 3.4 Công cụ thực - phần mềm CS 3000 63 3.4.1 Phần mềm Graphics Builder 63 3.4.2 Phần mềm Control Drawing 64 CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG GIAO DIỆN VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG KHĨI GIĨ 70 4.1.Tìm hiểu chung cơng nghệ hệ thống gió 70 4.1.1 Nghiên cứu tổng quan hệ thống khói gió 70 4.1.2 Vai trị gió hệ thống điều khiển phụ tải nhiệt 72 4.2 Các phƣơng pháp điều khiển lƣu lƣợng gió 76 4.2.1 Điều khiển lƣu lƣợng gió độ mở cánh hƣớng Damper 76 4.2.2 Điều khiển cách thay đổi tốc độ quạt 76 4.2.3 Điều khiển phối hợp hai phƣơng pháp 77 4.3 Thiết kế vịng điều chỉnh cho hệ thống khói gió 77 4.3.1 Điều khiển nhiệt độ gió cấp 78 4.3.2 Điều khiển lƣu lƣợng gió cấp .81 4.4 Tiến hành chạy mô phần mềm 83 KẾT LUẬN 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 PHỤ LỤC 89 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Thông số Tuabin 10 Bảng 1.2: Thông số cửa trích: 11 Bảng 1.3: Thông số máy phát 11 Bảng 1.4: Thơng số kĩ thuật lị 11 Bảng 1.5: Thông số 12 Bảng 1.6: Thông số nhiệt độ 12 Bảng 1.7: Thông số lƣu lƣợng mong muốn 13 Bảng 1.8: Quạt gió sơ cấp 13 Bảng 1.9: Quạt gió thứ cấp 14 Bảng 1.10: Quạt khói 14 Bảng 3.1: Xác định tham số PID 61 Bảng 3.2: Lựa chọn kiểu điều khiển 63 Bảng 4.1: Các dải tín hiệu vịng điều chỉnh 84 Bảng 4.2 Các thông số điều khiển (ta chọn mặc định) 84 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Quy trình sản xuất nhiệt điện 15 Hình 1.2: Sơ đồ tổng quan hệ thống cung cấp nhiên liệu tới vịi đốt 16 Hình 1.3: Sơ đồ tổng quan chu trình cháy 17 Hình 1.4: Chu trình nhiệt tổng quát 18 Hình 1.5: Điều khiển kết hợp gió, nhiên liệu máy phát 18 Hình 1.6: Điều khiển gió 20 Hình 1.7: Vịng điều khiển lƣu lƣợng - nhiên liệu 21 Hình 1.8: Sơ đồ mạch điều khiển lị 23 Hình 1.9: Vịng điều khiển áp suất chân khơng buồng đốt 25 Hình 1.10: Vịng điều khiển nhiệt độ nhiệt 28 Hình 1.11: Điều khiển van cánh hƣớng 30 Hình 1.12: Điều khiển mức nƣớc bao 35 Hình 2.1: Sơ đồ phân cấp hệ thống tự động hóa q trình sản xuất 36 Hình 2.2: Mơ hình cấu trúc hệ điều khiển phân tán 36 Hình 2.3: Trạm giám sát, vận hành HIS 39 Hình 2.4: Cấu trúc mạng kết nối FCS với thiết bị trƣờng 40 Hình 2.5: Cấu trúc hệ thống CS 3000 42 Hình 2.6: Cửa sổ System View 43 Hình 2.7: Khởi động System View từ nút [Start] 44 Hình 2.8: Trình đơn gọi cửa sổ 44 Hình 2.9: Cấu trúc Project 45 Hình 2.10: Hộp thoại Outline 46 Hình 2.11: Hộp thoại Create New Project 47 Hình 2.12: Hộp thoại tạo FCS 48 Hình 2.13: Hộp thoại tạo HIS 48 Hình 3.1: Hệ thống làm mát dầu 49 Hình 3.2: Đồ thị mơ tả thời gian trễ vận chuyển 50 Hình 3.3: Quá trình xảy thời gian trễ vận chuyển 51 Hình 3.4: Hệ có yếu tố dung tích 51 Hình 3.5: Đáp ứng hệ có yếu tố dung tích 51 Hình 3.6: Đáp ứng hệ tự điều chỉnh (Self - regulation) 52 Hình 3.7: Quá trình đun nƣớc 53 Hình 3.8: Đáp ứng trình đun nƣớc 53 Hình 3.9: Cấu trúc điều khiển phản hồi 55 Hình 3.10: Ví dụ điều khiển phản hồi 56 Hình 3.11: Điều khiển FeedForward - Cấu trúc song song 56 Hình 3.12: Điều khiển FeedForward - Cấu trúc nối tiếp 57 Hình 3.13: Điều khiển hâm dầu sử dụng - Cấu trúc Feedforward 57 Hình 3.14: Cấu trúc Feedforward kết hợp điều khiển phản hồi 58 Hình 3.15: Hệ thống hâm dầu - Cấu trúc điều khiển phản hồi 58 Hình 3.16: Điều khiển tầng - Cấu trúc nối tiếp 59 Hình 3.17: Điều khiển tầng - Cấu trúc song song 59 Hình 3.18: Hệ thống hâm dầu sử dụng điều khiển tầng 60 Hình 3.19: Đặc tính qn tính 62 Hình 3.20: Cấu trúc Function Block 64 Hình 3.21: Cấu trúc Function Block PID 66 Hình 3.22: Đáp ứng khâu trễ bậc 66 Hình 3.23: Cấu trúc khâu trễ bậc 66 Hình 3.24: Cấu trúc khâu DLAY 67 Hình 3.25: Đáp ứng khâu DLAY - C 67 Hình 3.26: Function Block - INTEG 68 Hình 3.27: Cấu trúc mơ Actuator 68 Hình 3.28: Transmitter 69 Hình 3.29: Cấu trúc mơ đƣờng ống 69 Hình 4.1: Hệ thống khói gió lị 71 Hình 4.2: Hệ thống gió cấp 72 Hình 4.3: Hệ thống gió cấp 73 Hình 4.4: Sơ đồ tổng quan hệ thống gió nhà máy nhiệt điện 74 Hình 4.5: Sơ đồ tổng quan hệ thống điều khiển gió 75 Hình 4.6: Đặc tính loại Damper 76 Hình 4.7: Quan hệ tốc độ quạt so với lƣu lƣợng đầu 77 Hình 4.8: Điều khiển phối hợp Damper tốc độ quạt 77 Hình 4.9: Sơ đồ điều khiển gió cấp 78 Hình 4.10: Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ gió cấp 80 Hình 4.11: Sơ đồ hệ thống điều khiển tỷ lệ than /gió 81 Hình 4.12: Khối điều khiển lƣu lƣợng gió cấp 82 Hình 4.13: Giao diện điều khiển trung tâm 84 Hình 4.14: Đồ thị Trend 85 Hình 4.15: Đồ thị nhiệt độ thực tế hỗn hợp qua giai đoạn điều khiển 85 Hình 4.16: Đồ thị lƣu lƣợng nhiên liệu lƣu lƣợng gió qua giai đoạn điều khiển 86 Ta có đồ thị Trend thu đƣợc nhƣ sau: Hình 4.14: Đồ thị Trend Trong đồ thị : Đƣờng 1: Nhiệt độ thực tế hỗn hợp gió Đƣờng 2: Nhiệt độ đặt hỗn hợp gió cho điều khiển Đƣờng 3: Tín hiệu điều khiển từ điều khiển Đƣờng 4: Độ mở Damper gió nóng Đƣờng 5: Độ mở Damper gió lạnh Hình 4.15: Đồ thị nhiệt độ thực tế hỗn hợp qua giai đoạn điều khiển 85 Hình 4.16: Đồ thị lưu lượng nhiên liệu lưu lượng gió qua giai đoạn điều khiển + Đƣờng màu đỏ: lƣu lƣợng gió + Đƣờng màu hồng: lƣu lƣợng nhiên liệu Nhận xét: + Trong trình ta tăng tín hiệu u cầu nhiệt lị (tức tăng cơng suất lị) dƣới tác động điều khiển phần trăm độ mở van nhiên liệu van cánh hƣớng lƣu lƣợng gió tăng dần, lƣu lƣợng nhiên liệu gió tăng dần nhằm tăng cơng suất cháy lị, độ tăng gió trƣớc độ tăng nhiên liệu để đảm bảo nhiên liệu đƣa vào ln đủ gió Đồng thời % damper sơ cấp tăng điều khiển nhiệt độ tác động, % độ mở van cánh hƣớng gió nóng lạnh tăng dần theo tỷ lệ định để đảm bảo nhiệt độ hỗn hợp bám giá trị đặt đồng thời tổng % độ mở van cánh hƣớng gió nóng lạnh phải % damper sơ cấp + Khi ta giảm tín hiệu yêu cầu nhiệt lị q trình ngƣợc lại + Khi ta tăng nhiệt độ đặt gió hỗn hợp lên 3500C, % damper sơ cấp khơng đổi, % lƣu lƣợng nhiên liệu không đổi, % độ mở van cánh hƣớng gió nóng tăng dần % độ mở van cánh hƣớng gió lạnh giảm dần, kết nhiệt độ tăng dần đến giá trị đặt Nhƣ trình mơ hồn tồn với thực tế lý thuyết, phù hợp với Trend mô 86 KẾT LUẬN Quá trình thiết kế luận văn với đề tài: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển phân tán (DCS) cho nhà máy nhiệt điện Na Dương” giúp củng cố thêm kiến thức lý thuyết điều khiển, mơ hình hố Trong thời gian làm luận văn tơi đƣợc tiếp xúc, tìm hiểu q trình cơng nghệ thực tế giải toán thực tế Đó kiến thức vơ q giá trƣớc hồn thành khóa học Trong q trình làm luận văn nhận đƣợc hƣớng dẫn tận tình thầy giáo TS Đỗ Mạnh Cƣờng, thầy giáo mơn Tự động hóa xí nghiệp cơng nghiệp giúp đỡ nhiệt tình anh chị nhà máy Nhiệt điện Na Dƣơng Đề tài trình bày cấu trúc, chức hệ thống điều khiển phân tán, phƣơng pháp nhận dạng đối tƣợng q trình bƣớc đầu mơ vịng điều chỉnh hệ thống khói gió nhà máy Các thơng số q trình sử dụng luận văn để mơ q trình đƣợc tính tốn từ kết kiểm tra, chỉnh định vịng hở, vịng kín nhà máy Tuy nhiên, giới hạn thời gian trình độ nên cấu trúc điều khiển nhà máy đƣợc đơn giản hóa nhiều Cấu trúc sử dụng mang tính nguyên lý điều khiển, nhƣ điều kiện logic, điều kiện liên động, … Đó hạn chế luận văn Vì vậy, mong muốn tơi sau trƣờng đƣợc tiếp tục làm việc để phát triển luận văn trở thành sản phẩm hoàn thiện Đây đề tài mới, hạn chế trình độ thời gian nên luận văn cịn nhiều thiếu sót Vậy tơi mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến từ Q thầy bạn bè đồng nghiệp Xin chân thành cảm ơn thầy cô bạn! 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Hoàng Minh Sơn (2005), Hệ thống điều khiển phân tán, Bộ môn điều khiển tự động, Khoa điện Đại học Bách khoa Hà Nội Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Duy Bình, Phạm Quang Đăng, Phạm Hồng Sơn (2013), Hệ điều khiển DCS cho nhà máy sản xuất điện năng, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hoàng Minh Sơn (2006), Mạng truyền thông công nghiệp, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Nguyễn Công Huân, Nguyễn Quốc Trung, Đỗ Anh Tuấn (1994), Nhà máy nhiệt điện, Đại học Bách khoa Hà Nội Phạm Lê Dần, Nguyễn Cơng Hân (2001), Cơng nghệ lị mạng nhiệt, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Trƣơng Duy Nghĩa, Nguyễn Sỹ Mao (1985), Thiết bị lò hơi, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Nguyễn Văn Mẫn (1988), Cơ sở trình buồn lửa, Đại học Bách khoa Hà Nội Yokogawa, CS3000 Enginnering lsstruction Manual 88 PHỤ LỤC Giao diện điều khiển tổng hợp nhiên liệu, turbin, lò hơi, tải máy phát 89 Giao diện điều khiển áp suất 90 Điều khiển nhiệt độ đầu máy nghiền PF 91 Điều khiển lưu lượng máy nghiền PF 92 Vòng điều khiển áp suất buồng đốt 93 Vịng điều khiển gió sơ cấp 94 Vịng điều khiển mức nước bình thử khí 95 Vịng điều khiển hâm nước cấp thấp áp LP 96 Vòng điều khiển hâm nước cấp cao áp HP 97 Vòng điều khiển hệ thống phụ cho Tuabin 98 Vòng Điều khiển mực nước bao 99 ... hàng loạt nhà máy nhiệt điện đƣợc xây dựng năm gần nhƣ nhà máy nhiệt điện Vũng áng, nhà máy nhiệt điện Vĩnh tân, nhà máy nhiêt điện Sông hậu, nhà máy nhiệt điện ng bí, nhà máy nhiệt điện Na dƣơng,…... ? ?Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển phân tán (DCS) cho nhà máy nhiệt điện Na Dƣơng” Luận văn đƣợc thực bao gồm nội dung sau: - Tổng quan công nghệ nhiệt điện đốt than, đặc trung nhà máy nhiệt. .. Xuân Hiệu NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) CHO NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NA DƯƠNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ