(Luận văn thạc sĩ) cải thiện chất lượng điều khiển bao hơi nhà máy nhiệt điện an khánh

i Đ Ạ I HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄ N MINH TUẤN CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN BAO HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN AN KHÁNH LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên, 2017 ii LỜI NĨI ĐẦU Trong sản xuất cơng nghiệp, điều khiển q trình cơng nghệ ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Điều khiển q trình gặp sản xuất xi măng, sản xuất thép, công nghệ chế biến thực phẩm, sản xuất điện,…Nghiên cứu điều khiển trình nhằm nắm bắt vấn đề chủ yếu sau: Tìm hiểu, phân tích u cầu điều khiển q trình cơng nghệ; Đặt toán điều khiển cho yêu cầu cụ thể; Thiết kế sách lược điều khiển phù hợp với u cầu với mơ hình q trình; Chọn lựa giải pháp thiết bị đo, thiết bị chấp hành thiết bị điều khiển Nhằm nâng cao hiểu biết điều khiển q trình, tơi lựa chọn đề tài: Cải thiện chất lượng điều khiển bao nhà máy nhiệt điện An khánh Trong trình thực đề tài nhận giúp đỡ nhiệt tình thầy, giáo khoa Điện trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên bạn đồng nghiệp Đặc biệt hướng dẫn góp ý thầy PGS.TS Nguyễn Như Hiển giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao Tơi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu thầy, cô Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm tài liệu tham khảo cịn hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, cô giáo bạn đồng nghiệp để tơi tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện q trình cơng tác sau Học viên Nguyễn Minh Tuấn iii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Minh Tuấn Sinh ngày: 20 - 10 - 1985 Học viên lớp cao học khoá 18 - Tự động hố - Trường Đại học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Nhà máy Nhiệt điện An Khánh Tôi cam đoan tồn nội dung luận văn tơi làm theo định hướng giáo viên hướng dẫn, không chép người khác Các phần trích lục tài liệu tham khảo luận văn Nếu có sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Nguyễn Minh Tuấn iv MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài 1.1 Vai trò lò nhà máy nhiệt điện đốt than 1.2 Giới thiệu lò NG – 230/9.8/540-M 1.3 Các biến trình bao 2 Mục tiêu luận văn 3 Nội dung luận văn: Chương GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN MỨC TRONG LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN AN KHÁNH 1.1 Giới thiệu chung nhà máy nhiệt điện 1.1.1 Nguyên lý hoạt động nhà máy nhiệt điện 1.1.2 Chu trình nhiệt nhà máy nhiệt điện 1.2 Lò nhà máy nhiệt điện An khánh 1.2.1 Một số hình ảnh Nhà máy nhiệt điện An Khánh 1.2.2 Giới thiệu lò hơi: NG – 230/9.8/540-M 11 1.2.3.Thơng số kỹ thuật lị NG – 230/9.8/540-M 11 1.2.4 Mô tả cấu tạo đặc tính kỹ thuật lị NG – 230/9.8/540-M 13 1.2.5 So sánh lò Nhà máy nhiệt điện An Khánh với số lò nhà máy khác 18 1.3 Hệ thống điều chỉnh mức nước bao nhà máy Nhiệt điện An khánh 18 1.3.1 Chức năng, nhiệm vụ điều chỉnh mức nước bao 18 1.3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển mức nước bao 19 1.4 Nghiên cứu hệ thống điều chỉnh mức nước bao nhà máy Nhiệt điện An khánh 20 v 1.4.1 Đặt vấn đề 20 1.4.2 Mục tiêu nghiên cứu 21 1.4.3 Dự kiến kết đạt 21 1.5 Kết luận chương 21 Chương MƠ TẢ TỐN HỌC CHO ĐỐI TƯỢNG MỨC TRONG LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 22 2.1 Khái quát chung 22 2.2 Mơ tả tốn học cho thành phần hệ thống điều khiển điều khiển mức lò nhà máy nhiệt điện 24 2.2.1 Cấu trúc tổng quát hệ điều khiển trình 24 2.2.2.Thiết bị đo 24 2.2.3 Thiết bị chấp hành 27 2.2.4 Hàm truyền mơ hình 32 2.3 Hàm truyền hệ thống 37 Chương KHẢO SÁT BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO LÒ HƠI 39 3.1 Giới thiệu chung 39 3.1.1 Bộ điều khiển PID 39 3.1.2 Chọn luật điều khiển PID: 42 3.2 Phương pháp tối ưu đối xứng 43 3.3 Thiết kế điều khiển mức cho lò 45 3.4 Đánh giá chất lượng hệ thống mô Matlab – Simulink 46 3.4.1 Cấu trúc mô phỏng: 46 3.4.2 Các kết mô 47 3.5 Kết luận chương 48 Chương THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN MỨC CHO LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI 49 4.1 Cấu trúc điều khiển mờ 49 4.1.1 Mờ hoá 49 4.1.2 Giải mờ (defuzzyfier) 50 vi 4.1.3 Khối luật mờ khối hợp thành 51 4.2 Các điều khiển mờ 54 4.2.1 Bộ điều khiển mờ tĩnh 54 4.2.2 Bộ điều khiển mờ động 54 4.3 Bộ điều khiển mờ lai 56 4.3.1 Sơ đồ mô 56 4.3.2 Các biến vào 57 4.3.3 Kết mô 58 4.4 Nhận xét: 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60 Kết luận 60 Kiến nghị 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 vii DANH MỤC CÁC BẢNG Tên bảng Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật lò NG – 230/9.8/540-M Trang DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tên hình vẽ Hình 1.1 Bản vẽ sơ lược hệ thống lò Nhà máy nhiệt điện An khánh Trang 13 Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống điều chỉnh mức nước bao 20 Hình 2.1 Sơ đồ khối vòng hệ thống điều khiển trình 24 Hình 2.2 Cấu trúc thiết bị đo trình 24 Hình 2.3 Một số hình ảnh thiết bị đo 25 Hình 2.4 Cấu trúc thiết bị chấp hành 28 Hình 2.5 Cấu trúc tiêu biểu van cầu khí nén 29 Hình 2.6 Biểu tượng ký hiệu cho kiểu tác động van 30 Hình 2.7 Bao nhà máy nhiệt điện 32 Hình 2.8 Hệ thống lọc khí, hâm nước bơm 33 Hình 2.9 Cơ cấu đo hiển thị mức nước dùng ống kính ngắm 34 Hình 2.10 Đặc tính động mức nước bao thay đổi lưu lượng nước cấp Hình 2.11 Đặc tính động mức nước bao theo lưu lượng nước cấp 35 36 Hình 2.12: Sơ đồ điều chỉnh mức nước bao tín hiệu 38 Hình 3.1 Bộ điều khiển theo quy luật PID 39 Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID tối ưu đối xứng 43 Hình 3.3 Minh hoạ tư tưởng thiết kế điều khiển PID tối ưu đối xứng 44 viii Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển mức cho lò nhà máy nhiệt điện 45 Hình 3.5 Cấu trúc mơ điều khiển mức nước bao 46 Hình 3.6 Đặc tính mơ điều khiển mức nước bao 47 Hình 4.1 Cấu trúc điều khiển mờ 49 Hình 4.2 Phương pháp giải mờ cực đại 50 Hình 4.3 Giải mờ theo điểm trọng tâm 51 Hình 4.4 Cấu trúc hệ điều khiển mờ lai 56 Hình 4.5 Bộ điều khiển mờ động 57 Hình 4.6 Giải mờ điểm trọng tâm 57 Hình 4.7 Đặc tính điều chỉnh mức 58 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài 1.1 Vai trò lò nhà máy nhiệt điện đốt than Trong nhà máy nhiệt điện, lò thiết bị quan trọng vận hành với quy trình chặt chẽ nghiêm ngặt, hệ thống có nhiều đầu vào nhiều đầu Hệ thống điều khiển lò hệ thống điều khiển phức tạp, giám sát điều khiển nhiều tham số Hệ thống có cấu trúc phức tạp với nhiều mạch vịng điều khiển khác Trong đó, hệ thống điều chỉnh mức nước bao khâu quan trọng hệ thống điều khiển lò Nhiệm vụ hệ thống đảm bảo tương quan lượng nước đưa vào lò lượng sinh Khi tương quan bị phá vỡ mức nước bao không cố định Mức nước thay đổi dẫn tới cố tuabin hay lò Nếu mức nước bao lớn giá trị cho phép làm giảm suất bốc bao hơi, giảm nhiệt độ nhiệt ảnh hưởng tới vận hành tuabin Nếu mức nước bao thấp so với giá trị cho phép làm tăng nhiệt độ nhiệt, gây nổ hệ thống ống sinh Trong trình vận hành lị hơi, mức nước bao ln thay đổi dao động lớn địi hỏi người cơng nhân vận hành phải điều chỉnh mức nước bao kịp thời ổn định giá trị cho phép Song lị có nhiều thơng số cần theo dõi điều chỉnh nên người vận hành điều chỉnh kịp thời liên tục để giữ ổn định mức nước bao Do tự động điều chỉnh mức nước bao khâu trọng yếu hệ thống điều chỉnh tự động lị hơi, đóng vai trị quan trọng việc nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển lò Hiện nay, thường sử dụng điều khiển PID kinh điển để điều khiển mức nước bao Tuy nhiên, hệ số điều khiển PID tính tốn cho chế độ làm việc cụ thể hệ thống, thông số đối tượng thay đổi trình vận hành, việc chỉnh định lại hệ số PID khó khăn thường nhân viên vận hành tiến hành theo kiểu “thăm dị” tốn nhiều thời gian mà khơng tìm phương án tối ưu Đề tài nghiên cứu đề xuất phương pháp thiết kế điều khiển có nhiều ưu điểm để điều khiển mức nước bao nhằm cải thiện chất lượng hệ thống 1.2 Giới thiệu lò NG – 230/9.8/540-M Lò nhà máy nhiệt điện An Khánh gồm hai lị tầng sơi tuần hồn, tham số 230 hơi/h, bao hơi, cyclon (bộ phân ly gió xốy) lạnh làm mát hơi, thơng gió cân bằng, bố trí bán lộ thiên kèm tổ Tuabin ngưng máy phát Lị tầng sơi tuần hồn sử dụng phương thức đốt tạo sôi, kết hợp kiểu đốt trơi lị phun đốt cố định lị xích Trạng thái hố sơi tức trạng thái lưu động hạt rắn tác động khơng khí Trong lị tầng sơi tuần hồn tồn nhiều hạt liệu ghi lị, hạt liệu chịu tác động gió cấp 1, cấp tạo nên trạng thái hố sơi đồng thời thực tuần hoàn bụng lị, hồn thành nhiệm vụ đốt tuần hồn Thơng thường lị tầng sơi tuần hồn nhiệt độ khoảng 850 - 9000C, đá vôi xảy phản ứng đốt hoàn toàn khiến CaCO3 phân giải thành CO2, SO2 sinh từ CO2 than tiến hành phản ứng tạo thành CaSO4, thải dạng chất rắn, từ đạt mục đích khử lưu huỳnh Phương trình phản ứng đốt đá vơi: CaCO3 = CaO + CO2 - Q Phương trình phản ứng hoá học khử lưu huỳnh: CaO + SO2 + 1/2O2 = CaSO4 + Q CaCO3 = CaO + CO2 - Q CaO + SO2 + 1/2O2 = CaSO4 + Q 1.3 Các biến trình bao - Biến điều khiển: Lưu lượng nước cấp cho bao hơi, nhiệt độ bao hơi, áp suất bao hơi; - Biến cần điều khiển: Mức nước bao hơi, lưu lượng khỏi bao hơi; 47 3.4.2 Các kết mô Dactinhmucnuoc 120 100 h(m) 80 60 40 20 0 50 100 150 t(s) 200 250 Hình 3.6: Đặc tính mơ điều khiển mức nước bao 300 48 3.5 Kết luận chương Trong chương ba luận văn thực nội dung quan trọng là: Thiết kế điều khiển mức cho lò điều khiển PID, đánh giá kết tính tốn lý thuyết thơng qua mô Matlab – Simulink Qua kết nêu thấy rằng: lý thuyết, mô thực tế tồn sai lệch định Do đó, điều khiển tiếp tục hiệu chỉnh để phù hợp với thực tế 49 Chương THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN MỨC CHO LÒ HƠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI Bộ điều khiển PID thiết kế chương 3, chất lượng hệ thống đánh giá thông qua mô thực nghiệm cho thấy hệ thống đạt yêu cầu đặt Để nâng cao chất lượng cho hệ thống, ta sử dụng điều khiển đại thay cho PID Cụ thể điều khiển mờ lai để điều khiển mức cho đối tượng trình đa biến 4.1 Cấu trúc điều khiển mờ Cấu trúc điều khiển mờ thể hình 4.1 gồm khối: Khối mờ hố, khối luật mờ, khối hợp thành khối giải mờ Khối luật mờ x  Mờ hoáfuzzyfier Khối hợp thành B’ Giải mờ defuzzyfier y Hình 4.1: Cấu trúc điều khiển mờ 4.1.1 Mờ hoá Phép mờ hoá ánh xạ điểm thực x*U vào tập mờ AU nguyên tắc: - Tập mờ A phải có hàm liên thuộc lớn x* - Phép mờ hoá phải cho tính toán đơn giản luật hợp thành - Có khả khử nhiễu đầu vào Có số phép mờ hố như: Mờ hố Singleton, mờ hố Gaussian, mờ hố tam giác, hình thang… Mờ hoá Singleton cho phép tính đơn giản luật hợp thành có biểu thức hàm liên thuộc kinh điển: 50 1 μA  x  =  0 x = x* x  x* (4.1) Mờ hố tam giác cho hàm liên thuộc có dạng  x1 - x1*   xn - x*n  *  - b * *  - b  xi - xi  bi μ A  x  =  n1    0 Khi xi - xi* > i = 1,2, ,n  (4.2) bi > phép giao (*) chọn hay tích đại số 4.1.2 Giải mờ (defuzzyfier) Sau khâu thiết bị hợp thành, tín hiệu đưa khơng thể sử dụng cho điều khiển đối tượng thực chất đầu khâu ln giá trị mờ B, Vì cần khâu giải mờ để làm rõ giá trị cụ thể tín hiệu điều khiển tương ứng với giá trị cụ thể đầu vào điều khiển mờ Có hai phương pháp giải mờ yếu: phương pháp cực đại phương pháp trọng tâm *Phương pháp cực đại giải mờ theo hai bước: Xác định miền chứa giá trị rõ y’ Giá trị y’ giá trị mà hàm liên thuộc đạt giá trị cực đại (độ cao tập mờ B’), tức miền: G = { yH g(y) = H} Xác định y’ cụ thể (bằng số) từ G theo ba nguyên lý - Nguyên lý trung bình: y’ = y1 + y2; y1, y2 giá trị biên miền G y1