Nghiên cứu hệ thống các bình gia nhiệt và hệ thống điều khiển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ VĂN QUÝ VŨ VĂN QUÝ KỸ THUẬT NHIỆT NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CÁC BÌNH GIA NHIỆT VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT NHIỆT CH2015B Hà Nội – 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VŨ VĂN QUÝ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CÁC BÌNH GIA NHIỆT VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh Hà Nội – 2017 MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH iv LỜI CẢM ƠN vi LỜI CAM ĐOAN vii PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BÌNH GIA NHIỆT NƯỚC CẤP NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.1 Tổng quan nhà máy nhiệt điện hệ thống bình gia nhiệt nước cấp 1.1.1 Tổng quan chung nhà máy nhiệt điện 1.1.2 Nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện 1.1.3 Chu trình nhiệt nhà máy nhiệt điện 14 1.1.4 Lò nhà máy nhiệt điện 15 1.1.4.1 Nhiệm vụ lò 15 1.1.4.2 Cấu tạo lò 15 1.1.4.3 Các loại lị 17 1.1.5 Hệ thống bình gia nhiệt nước cấp nhà máy nhiệt điện 18 1.1.5.1 Sơ đồ nguyên lý 18 1.1.5.2 Thiết bị sơ đồ đấu nối bình gia nhiệt 22 1.1.5.3 Cân nhiệt chế độ làm việc bình gia nhiệt 29 1.1.5.4 Vận hành bình gia nhiệt 32 1.2 Hệ thống điều khiển lò hệ thống điều khiển bình gia nhiệt nhà máy nhiệt điện 34 1.2.1 Lò nhà máy nhiệt điện đối tượng điều khiển 34 1.2.2 Giới thiệu chung hệ thống điều khiển lò 35 1.2.3 Hệ thống điều khiển mức nước bình gia nhiệt nước cấp 37 1.2.3.1 Đặt vấn đề 37 i 1.2.3.2 Hệ thống điều khiển mức nước bình gia nhiệt nước cấp 39 1.2.3.3 Mục tiêu nghiên cứu 41 1.3 Kết luận chương 41 CHƯƠNG MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BÌNH GIA NHIỆT NƯỚC CẤP NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 43 2.1 Đặt toán 43 2.2 Mơ tả tốn học cho thành phần hệ thống điều khiển mức nước bình gia nhiệt nước cấp nhà máy nhiệt điện 45 2.2.1 Cấu trúc mơ hình nhà máy nhiệt điện 45 2.2.2 Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước bình gia nhiệt 46 2.2.3 Hàm truyền thành phần hệ thống 46 2.3 Hàm truyền hệ thống 56 2.4 Kết luận 57 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MỨC NƯỚC BÌNH GIA NHIỆT NƯỚC CẤP VÀ ĐỀ XUẤT CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ PID 58 3.1 Tổng quan điều khiển PID 58 3.1.1 Thiết kế điều khiển sở hàm độ h(t) 59 3.1.2 Thiết kế điều khiển miền tần số 61 3.2 Thiết kế điều khiển mức nước bình gia nhiệt nước cấp 64 3.4 Đề xuất cải thiện chất lượng điều khiển mức nước bình gia nhiệt nước cấp mờ chỉnh định tham số PID 65 3.4.1 Mờ hóa 66 3.4.2 Giải mờ (defuzzyfier) 66 3.4.3 Khối luật mờ khối hợp thành 68 ii 3.4.4 Bộ điều khiển mờ 70 3.5 Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 73 3.5.1 Phương pháp thiết kế 73 3.5.2 Nhận xét 77 CHƯƠNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM CASCAD THIẾT KẾ, TÍNH TỐN TỐI ƯU BỘ ĐIỀU CHỈNH MỨC NƯỚC BÌNH GIA NHIỆT NƯỚC CẤP NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN THÁI BÌNH 78 4.1 Mô tả hệ thống gia nhiệt cao áp, hạ áp nhà máy nhiệt điện Thái Bình 78 4.1.1 Chức năng, nhiệm vụ vận hành hệ thống gia nhiệt cao áp, hạ áp 78 4.1.2 Đặc tính kỹ thuật 80 4.1.3 Nguyên lý điề u khiể n mực các bô ̣ gia nhiêṭ ̣ áp 83 4.1.4 Nguyên lý điề u khiể n mực các bô ̣ gia nhiêṭ cao áp 86 4.2 Giới thiệu phần mềm CASCAD sử dụng phần mềm CASCAD thiết kế, tính tốn tối ưu điều chỉnh mức nước bình gia nhiệt nhà máy nhiệt điện Thái Bình 89 4.2.1 Giới thiệu phần mềm CASCAD 89 4.2.2 Sử dụng phần mềm CASCAD thiết kế, tính tốn tối ưu điều chỉnh mức nước bình gia nhiệt 90 KẾT LUẬN 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 109 iii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ khối cơng nghệ thiết bị nhà máy nhiệt điện than 10 Hình 1.2 Sơ đồ nhiệt nguyên lý vận hành nhà máy nhiệt điện đốt than 11 Hình 1.3: Sơ đồ chu trình nhiệt tổ máy 15 Hình 1.4: Nguyên lý cấu tạo lò 16 Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý thiết bị gia nhiệt hồi nhiệt 19 Hình 1.6: Thiết bị gia nhiệt hạ áp sơ đồ đấu nối 22 Hình 1.7: Van chiều điện KOC 24 Hình 1.8: Xiphông thủy lực để xả tràn dung tích áp suất thấp 26 Hình 1.9 Bình gia nhiệt cao áp 27 Hình 1.10: Sơ đồ bảo vệ bình gia nhiệt cao áp 29 Hình 1.11: Cấu trúc chung hệ thống điều khiển lị 37 Hình 2.1: Cấu trúc mơ hình nhà máy nhiệt điện 45 Hình 2.2: Sơ đồ khối vịng hệ thống điều khiển q trình 46 Hình 2.3: Cấu trúc thiết bị đo trình 46 Hình 2.4: Một số hình ảnh thiết bị đo công nghiệp 47 Hình 2.5: Cấu trúc thiết bị chấp hành 50 Hình 2.6: Cấu trúc tiêu biểu van cầu khí nén 50 Hình 2.7: Biểu tượng ký hiệu cho kiểu tác động van điều khiển 52 Hình 2.8:Sơ đồ nguyên lý điều khiển mức nước bình gia nhiệt 54 Hình 2.9: Đặc tính động mức nước bình gia nhiệt theo lưu lượng nước 55 Hình 2.10: Sơ đồ điều chỉnh mức nước bình gia nhiệt tín hiệu 56 Hình 2.11: Cấu trúc mơ tả tốn học tồn hệ thống 57 Hình 3.1: Sơ đồ khối điều khiển tuyến tính (PID) 58 Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID 59 Hình 3.3: Độ thị độ 60 Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển 61 iv Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức nước bình gia nhiệt nước cấp nhà máy nhiệt điện 64 Hình 3.6: Cấu trúc điều khiển mờ 65 Hình 3.7: Phương pháp giải mờ cực đại 67 Hình 3.8: Phương pháp trọng tâm 68 Hình 3.9: Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ PD 71 Hình 3.10: Sơ đồ khối hệ thống với điều chỉnh mờ PI(1) 71 Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ thống với điều khiển mờ PI(2) 72 Hình 3.12: Phương pháp điều khiển thích nghi trực tiếp 72 Hình 3.13: Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 72 Hình 3.14: Phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển 73 Hình 3.15: Phương pháp chỉnh định mờ tham số điều khiển PID 74 Hình 3.16: Bên điều chỉnh mờ 74 Hình 3.17: Tập mờ e e' 75 Hình 3.18: Tập mờ α 75 Hình 3.19: Tập mờ KP, KD 75 Hình 3.20: Cấu trúc chỉnh đỉnh mờ tham số PID 77 Hình 4.1: Sơ đồ điều khiển mực bình gia nhiệt hạ áp số 5,6,8 84 Hình 4.2: đồ điều khiển mực bình gia nhiệt hạ áp số 85 Hình 4.3: Sơ đồ điều khiển mực bình gia nhiệt cao áp số 1, 2,3 87 Hình 4.4:Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều chỉnh mức nước bình gia nhiệt 91 Hình 4.5: Đồ thị thực nghiệm đối tượng mức nước bình gia nhiệt 92 v LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn này, tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh, tận tình hướng dẫn, bảo suốt thời gian thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Ban Quản lý Dự án Điện lực Dầu khí Thái Bình bạn đồng nghiệp ln tạo điều kiện mặt thời gian công việc để tơi thực luận văn Tôi xin cảm ơn quý Thầy, Cô Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt Lạnh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội tận tình truyền đạt kiến thức giúp đỡ suốt thời gian học tập thực luận văn Cuối cùng, xin kính chúc q Thầy, Cơ gia đình ln dồi sức khỏe thành công công việc sống Hà Nội, tháng năm 2017 Học viên Vũ Văn Quý vi LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Các số liệu có nguồn gốc rõ ràng, tuân thủ nguyên tắc kết trình bày luận văn thu thập trình nghiên cứu trung thực chưa công bố trước Hà Nội, tháng năm 2017 Tác giả luận văn Vũ Văn Quý vii PHẦN MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài Lò xem bình kín nước từ lị kết trình đốt cháy nhiên liệu.Trong lị hơi, lượng hóa học nhiên liệu dự trữ chuyển đổi thành lượng nhiệt lượng nhiệt nước hấp thụ tạo thành nước.Lò thiết bị phức tạp, hệ thống có nhiều đầu vào nhiều đầu Do cấu trúc hệ thống điều khiển lò phức tạp Trong hệ thống lị bình gia nhiệt nước cấp giữ vai trò quan trọng, ảnh hưởng lớn đến an tồn hiệu q trình vận hành nhà máy nhiệt điện Mức nước bình gia nhiệt có ý nghĩa đảm bảo kinh tế hiệu suất chu trình nhiệt đảm bảo an tồn cho thiết bị Bộ điều chỉnh mức nước bình gia nhiệt giữ mức nước bình trạng thái bình thường Để đảm bảo cho nước khỏi bình gia nhiệt lị khơng thay đổi q nhiều khoảng chiếm từ 30% đến 70% khơng gian bình gia nhiệt lại khoảng nước chiếm từ 50% đến 70% Độ cao mức nước bình gia nhiệt xác định theo chu trình nhiệt khác Nó biến động phụ thuộc vào phụ tải tổ máy.Để đảm bảo cho bình gia nhiệt hoạt động bình thường ta đặt điều chỉnh để điều chỉnh mức nước bình gia nhiệt.Thường đặt điều chỉnh thực quy luật tỷ lệ Mỗi bình gia nhiệt đặt mức:  Trường hợp cao làm giảm hiệu suất lị nước cấp cho lị khơng nhận nhiệt  Trường hợp mức nước thấp q nước cấp cho lị có nhiệt độ cao gây sôi bồng làm biến dạng dàn ống sinh nhiệt độ cao Nếu trường hợp xấu dẫn đến ngừng lị 95 Bước 2: Từ mơ hình thực nghiệm đối tượng, ta tiến hành đăng nhập đối tượng thiết lập hệ thống sau: Hàm truyền đối tượng sau nhận dạng sơ bộ: 𝑂1 (𝑆) = 5𝑒 −5,9466𝑠 𝑠(1+3,6534𝑠) Đối tượng 𝑂1 (𝑆)là đối tượng mô số liệu thực nghiệm trên; khâu phản hồi 𝐹1 = 1; khâu đối tượng theo kênh nhiễu 𝐵1 (𝑆) = 𝑂1 (𝑆); đầu vào cho dạng xung bậc thang đơn vị 𝑍1 = 𝑉1 = 1/𝑆 96 Bước 3: Tổng hợp điều chỉnh, ta đặc tính mềm hệ hở với đối tượng điều chỉnh 𝑅1 đặc tính biên độ hệ thống 97 98 Bước 4: Tổng hợp điều chỉnh theo kênh đặt Z1: Từ đặc tính thời gian tần số ta thấy thời gian điều chỉnh t=33s biên độ dao động ℎ𝑚𝑎𝑥 = 1,628, ℎ𝑚𝑖𝑛 = 0,95 Đặc tính tần số hệ thống theo kênh đặt Z1 Đáp ứng đầu hệ thống theo kênh đặt Z1 99 100 Bước 5: Tổng hợp điều chỉnh theo kênh nhiễu V1: Từ đặc tính thời gian tần số hệ thống theo kênh nhiễu, ta thấy có nhiễu tác động đầu ra, sai lệch tín hiệu điều chỉnh lớn khoảng 48.64 thời gian đạt biên độ nhiễu 26,92 s Đặc tính tần số hệ thống theo kênh nhiễu V1 101 Đáp ứng đầu hệ thống theo kênh nhiễu V1 102 103 Bước 6: Tổng hợp điều chỉnh theo hai kênh kênh đặt Z1, kênh nhiễu V1 Đặc tính tần số hệ thống theo kênh đặt Z1 kênh nhiễu V1 Đáp ứng đầu hệ thống theo kênh đặt Z1 kênh nhiễu V1 104 Bước 7: Sau tổng hợp điều chỉnh theo kênh đặt 𝑍1 kênh nhiễu 𝑉1 , ta có cấu trúc điều chỉnh sau: 105 Vậy ta có hàm truyền khâu hệ thống điều chỉnh mức nước bình gia nhiệt nhà máy nhiệt điện Thái Bình sau: 106 Đối tượng điều khiển: 𝑂1 (𝑆) = 3,5744.𝑒 −8,0076.𝑆 𝑆.(1+4,3.10−13 𝑆) Khâu đối tượng theo kênh nhiễu: 𝐵1 (𝑆) = Hàm truyền điều chỉnh: 𝑅1 (𝑆) = 3,5744.𝑒 −8,0076.𝑆 𝑆.(1+4,3.10−13 𝑆) 7,4.10−4 +0,0228.𝑆 𝑆 Khâu phản hồi 𝐹1 = 1, tín hiệu đầu vào theo kênh đặt kênh nhiễu là: 𝑍1 = 1/𝑆 𝑉1 = 1/𝑆 Qua ta thấy trình tối ưu chương trình CASCAD cho thơng số tối ưu xác so với phương pháp tính tốn tối ưu khác (phương pháp tính tốn truyền thống) 107 KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu nghiên cứu, em hoàn thành nhiệm vụ giao "Nghiên cứu hệ thống bình gia nhiệt hệ thống điều khiển" Đây đề tài mang tính chất ứng dụng kỹ thuật điều chỉnh đại cho đối tượng thực tế nên địi hỏi người thiết kế phải tìm hiểu đối tượng cách tỉ mỉ, xác, tài liệu lại khơng có đủ Tuy nhiên nhờ có hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo hướng dẫn thầy Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt lạnh, giúp đỡ bạn bè, với cố gắng thân em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Trong thời gian làm luận văn, em hồn thành khối lượng cơng việc sau:  Tìm hiểu nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện, số hệ thống điều khiển nhà máy nhiệt điện Thái Bình  Nghiên cứu lý thuyết điều khiển tự động  Đi sâu nghiên cứu bình gia nhiệt nước cấp, hệ thống điều chỉnh phần tử hệ thống điều chỉnh mức nước bình gia nhiệt nhà máy nhiệt điện Thái Bình  Nghiên cứu phần mềm CASCAD, ứng dụng để thiết kế, tính tốn tối ưu hóa hệ thống điều chỉnh mức nước bình gia nhiệtnước cấp nhà máy nhiệt điện Thái Bình Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt lạnh, đặc biệt thầy giáo PGS.TSKH.VS Nguyễn Văn Mạnh trực tiếp hướng dẫn, đóng góp nhiều ý kiến quý báu thời gian thực hoàn thành luận văn 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Công Hân, Nguyễn Quốc Trung, Đỗ Anh Tuấn “Nhà máy nhiệt điện’’, Trường Đại học bách khoa Hà Nội [2] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quang Đăng"Điều khiển DCS cho nhà máy nhiệt điện đốt than", Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2013 [3] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quang Đăng"Điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than", Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2010 [4] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền"Truyền động điện", Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2001 [5] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi “Điều chỉnh tự động truyền động điện”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2004 [6] Lại Khắc Lãi (2003) “Một số phương pháp tổng hợp điều khiển sở logic mờ thích nghi”, Luận án tiến sĩ kĩ thuật, Trường đại học Bách khoa Hà Nội [7] Nguyễn Doãn Phước “Lý thuyết điều khiển tuyến tính”, NXB Khoa học & Kỹ thuật, 2007 [8] Nguyễn Dỗn Phước “Phân tích điều khiển hệ phi tuyến”, NXB Bách Khoa, 2012 [9] Phước N.D; Minh.X.P"Lý thuyết điều khiển mờ", NXB Khoa học & Kỹ thuật, 2006 [10].Nguyễn Văn Mạnh "Lý thuyết điều chỉnh tự động trình nhiệt", ĐHBK Hà Nội, 1993 [11].Đỗ Văn Thắng "Vận hành thiết bị lò tuabin nhà máy nhiệt điện", Nhà xuất Giáo Dục, 2010 [12] Tài liệu kỹ thuật nhà máy nhiệt điện Thái Bình 109 ... ưuhệ thống điều khiển mức nước bình gia nhiệt Đối tượng phạm vi nghiên cứu  Hệ thống đo mức nước bình gia nhiệt  Phương pháp điều khiển mức nước bình gia nhiệt  Mơ hình hóa đối tượng hệ thống. .. 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 bao 38  Hệ thống điều. .. phối hợp điều khiển nhiều đối tượng với nhiều thông số Điều yêu cầu hệ thống điều khiển tổng thể, điều khiển giám sát làm giảm xen kênh hệ điều khiển đại lượng hệ thống 35 Các hệ điều khiển bao