NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN CHẠY THAN vol.2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hà nội, 6-2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN CHẠY THAN Trưởng môn : PGS.TS Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Bùi Quốc Khánh Sinh viên thực : Lê Xuân Thịnh Lớp : KTĐK-TĐH 03-K58 MSSV : 20133758 Giáo viên duyệt : Hà nội, 6-2018 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu điều khiển phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện chạy than em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Bùi Quốc Khánh Ths Phạm Thị Lý Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Lê Xuân Thịnh MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv LỜI NÓI ĐẦU Chương TỔNG QUAN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 1.1 Tổng quan nhà máy nhiệt điện 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Lò nhà máy nhiệt điện 1.1.3 Hiệu suất nhà máy nhiệt điện 1.2 Điều khiển lò 1.2.1 Tổng quan hệ thống điều khiển lò 1.2.2 Lò đối tượng điều khiển Chương 13 NGHIÊN CỨU CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CHÍNH 13 2.1 Điều khiển nước cấp 13 2.1.1 Hệ thống cấp nước cho bao 13 2.1.2 Phương pháp điều khiển lưu lượng nước cấp 14 2.2 Điều khiển nhiên liệu 16 2.2.1 Đặc tính cơng nghệ nhiên liệu 16 2.2.2 Hệ thống điều khiển nhiên liệu 17 2.3 Điều khiển gió 18 2.3.1 Thành phần vai trò hệ thống khói gió 18 2.3.2 Hệ thống điều khiển gió 20 2.4 Điều khiển trình cháy 21 2.4.1 Các giai đoạn trình cháy buồng lửa 21 2.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới trình cháy 22 2.4.3 Hệ thống điều khiển trình cháy 23 2.5 Điều khiển trình sinh 26 2.5.1 Quá trình sinh 26 2.5.2 Các thông số điều khiển 27 2.5.3 Phương pháp điều khiển 28 2.6 Điều khiển phụ tải nhiệt 29 Chương 31 XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT 31 3.1 Các chế độ điều khiển phụ tải nhiệt 31 3.1.1 Chế độ điều khiển lò theo tuabin 31 3.1.2 Chế độ điều khiển tuabin theo lò 32 3.1.3 Chế độ điều khiển phối hợp 34 3.2 Xây dựng mơ hình nhà máy nhiệt điện 35 3.2.1 Các giả thiết phục vụ cho việc xây dựng mơ hình lị 35 3.2.2 Mơ hình lị 36 3.2.3 Mô hình tuabin 46 3.2.4 Nhận dạng trình 47 3.3 Cấu trúc thiết kế điều khiển 50 3.3.1 Bộ điều khiển nhiên liệu 50 3.3.2 Bộ điều khiển van tuabin 51 3.3.3 Tính tốn điều khiển cho chế độ 51 Chương 54 MÔ PHỎNG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT 54 4.1 Mục Tiêu, nhiệm vụ thông số mô 54 4.1.1 Mục tiêu, nhiệm vụ 54 4.1.2 Thông số mô 54 4.2 Kết mô nhận xét 57 4.2.1 Chế độ lò theo tuabin 57 4.2.2 Chế độ tuabin theo lò 60 4.2.3 Chế độ phối hợp 63 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHỤ LỤC 70 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Sơ đồ chu trình nhiệt Hình Các phận lò đốt than phun Hình Cấu trúc điều khiển lò Hình Các đầu vào, lò 10 Hình Cân lượng nước cấp 10 Hình Cân lượng nhiên liệu, giá khỏi thải, tro xỉ 11 Hình Cân lượng đầu vào đầu lị 11 Hình Hệ thống lọc khí, hâm nước bơm nước cấp 13 Hình 2 Mơ hình điều khiển nước cấp tín hiệu 15 Hình Mỗi quan hệ lưu lượng lưu lượng nước 16 Hình Cấu trúc điều khiển nhiêu liệu gió 17 Hình Sơ đồ hệ thống khói gió lò 19 Hình Điều chỉnh tỷ lệ 24 Hình Điều chỉnh theo nồng độ O2 khói 25 Hình Cấu trúc điều khiển chân không buồng đốt 26 Hình Sự thay đổi tỷ lệ áp suất hơi, lưu lượng tỷ lệ cháy theo thời gian 28 Hình Sơ đồ điều khiển lò theo tuabin 31 Hình Đường đặc tính đáp ứng chế độ điều khiển lò theo tuabin 32 Hình 3 Cấu trúc điều khiển chế độ tuabin theo lò 33 Hình Đường đặc tính đáp ứng chế độ điều khiển tuabin theo lị 33 Hình Cấu trúc điều khiển chế độ phối hợp 34 i Danh mục hình vẽ Hình Đường đặc tính đáp ứng chế độ điều khiển hỗn hợp 35 Hình Mơ hình lị 36 Hình Đồ thị quan hệ áp suất nhiệt độ 41 Hình Quá trình nhiệt giảm ôn 42 Hình 10 Mơ hình tổng thể lò 45 Hình 11 Cấu trúc tuabin 46 Hình 12 Sơ đồ cấu trúc tuabin 47 Hình 13 Đặc tính q trình cấp nhiên liệu 48 Hình 14 Đặc tính độ mở van 49 Hình 15 Cấu trúc điều khiển nhiên liệu 50 Hình 16 Cấu trúc điều khiển van tuabin 51 Hình 17 Cấu trúc điều khiển chế độ lò theo tuabin 51 Hình 18 Cấu trúc điều khiển chế độ tuabin theo lò 52 Hình 19 Cấu trúc điều khiển chế độ hỗn hợp 53 Hình Mơ cấu trúc lị 57 Hình Sơ đồ mơ chế độ lò theo tuabin 57 Hình Kết mơ chế độ lị theo tuabin thay đổi cơng suât 58 Hình 4 Đáp ứng thay đổi nhiệt trị chế độ lò theo tuabin 59 Hình Sơ đồ mơ chế độ tuabin theo lị 60 Hình Kết mơ chế độ tuabin theo lị thay đổi cơng suất 61 Hình Đồ thị thay đổi nhiệt trị than chế độ tuabin flow boiler 62 Hình Sơ đồ mô chế độ hỗn hợp 63 Hình Kết mô chế độ hỗn hợp thay đổi công suất 64 Hình 10 Đáp ứng thay đổi nhiệt trị than chế độ phối hợp 65 ii Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1 Một số nhà máy nhiệt điện Bảng Thơng số nhiên liệu gió 54 Bảng Thông số nước cấp nước 55 Bảng Thông số ống dẫn vào van tuabin van tuabin 56 iii Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT PID Proportional Integral Bộ điều khiển vi tích phân Derivative tỷ lệ Controller FD Forced Draff Quạt gió PA Primary Air Quạt gió cấp HP Turbine High Pressure Turbine Tuabin cao áp IP Intermediate Pressure Turbine Tuabin trung áp LP Low Pressure turbine Tuabin hạ áp iv Chương Mô hệ điều khiển phụ tải nhiệt 4.2.3 Chế độ phối hợp Hình Sơ đồ mô chế độ hỗn hợp a Đáp ứng thay đổi công suât Kịch mô : Tại thời điểm 1000s, đặt tín hiệu yêu cầu tăng tải lên 70MW Tại thời điểm 6000s, đặt tín hiệu yêu cầu giảm tải 70MW 63 Chương Mô hệ điều khiển phụ tải nhiệt Hình Kết mô chế độ hỗn hợp thay đổi cơng suất Nhận xét: • Khi có u cầu tăng cơng suất, nhiên liệu gió tăng lên để tăng công suất hơi, sau khoảng thời gian hợp lý ta bắt đầu mở van tuabin Ở chế độ này, áp suất giữ ổn định hơn, đảm bảo chất lượng Do điều khiển trình cháy van tuabin nên tốc độ đáp ứng hệ thống nhanh • Bộ điều khiển cho thời gian đáp ứng công suất 2000s sau có tín hiệu thay đổi cơng suất tải , sai lệch tĩnh 0.14% khơng có độ q điều chỉnh • Sự tăng giảm đại lượng hợp lý, tuân thủ trình vật lý thực tế yêu cầu chế độ hỗn hợp 64 Chương Mô hệ điều khiển phụ tải nhiệt b Đáp ứng thay đổi nhiệt trị than Kịch mô : Tại thời điểm 6000s, tải chạy ổn định ta cho nhiệt trị than giảm dần giảm dần nhiệt dung riêng than ( nhiệt độ vào than không đổi ) Ta thu đáp ứng sau Hình 10 Đáp ứng thay đổi nhiệt trị than chế độ phối hợp ➢ Nhận xét : • Khi nhiệt trị than giảm làm nhiệt lượng lò giảm dẫn đến áp suất bão hòa giảm Khi áp suất giảm tác động làm công suất giảm theo, điều khiển áp suất tác động làm tăng lượng liệu vào lò để tăng nhiệt lượng bù lại lượng nhiệt lượng nhiệt trị than giảm Áp suất tụt 0.1MPA công suất bám giá trị đặt sau 700s 65 Chương Mô hệ điều khiển phụ tải nhiệt ➢ Nhận xét chung : • Chế độ lị theo tuabin chế độ có đáp ứng cơng suất nhanh nhất, lương tiêu hao than trung bình cho trình tăng tải 3.665Kg/s Tuy nhiên chế độ áp suất độ lớn dẫn đến cơng suất phát có q độ lớn điều ảnh hưởng tới lị hơi, hệ thống điện • Chế độ tuabin theo lị chế độ có đáp ứng công suất lên chậm nhất, lượng tiêu hao than trung bình trình tăng tải 4.744Kg/s Áp suất chất lượng đảm bảo • Chế độ phối hợp chế độ có đáp ứng cơng suất chậm chế độ lò theo tuabin nhanh so với chế độ tuabin theo lò Lượng tiêu hao than trung bình trình tăng tải 4.34 Kg/s Đáp ứng công suất chế độ nhanh, áp suất ổn định tượng áp 66 Kết luận KẾT LUẬN Quá trình thiết kế đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu điều khiển phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện chạy than” giúp em tổng hợp củng cố thêm kiến thức điều khiển trình nói chung lý thuyết điều khiển nói riêng Đó kiến thức vô quan trọng trước em tốt nghiệp Quá trình làm đồ án em thu kết cụ thể sau: • Nắm bắt quy trình cơng nghệ nhà máy nhiệt điện • Hiểu biết lị nhà máy nhiệt điện • Xây dựng mơ hình lị hơi, từ xây dựng mơ hình nhà máy nhiệt điện • Nghiên cứu chế độ điều khiển phụ tải nhiệt • Mơ điều khiển phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện Tuy nhiên giới hạn thời gian trình độ chun mơn, nên cấu trúc hệ điều khiển đơn giản hóa nhiều kết dừng lại việc mô đáp ứng thông qua phần mềm Matlab Đó điểm hạn chế lớn đồ án Trong trình làm đồ án, em nhận hướng dẫn, bảo tận tình thầy giáo PGS.TS Bùi Quốc Khánh, cô giáo Ths Phạm Thị Lý hai người trực tiếp hướng dẫn cho em tồn thể q thầy mơn Tự động hóa CN, khơng trực tiếp hướng dẫn em thầy cô môn tạo điều kiện giải đáp thắc mắc chúng em trình thực đồ án Đồ án chắn cịn nhiều sai sót Vì vậy, em mong nhận đóng góp từ thầy bạn Em xin chân thành cảm ơn 67 Kết luận Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2018 Sinh viên thực Lê Xuân Thịnh 68 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Quốc Khánh - Nguyễn Duy Bình - Phạm Quang Đăng - Phạm Hồng Sơn, Điều khiển DCS cho nhà máy sản xuất điện năng, 2013 [2] Leonard L.Grigsby, Power system stability and control, Third edition [3] L Sun, D Li, KY Lee, Y Xue, Control-oriented modeling and analysis of direct energy balance in coal-fired boiler-turbine unit, 2016 [4] Sam G Dukelow, The Control of Boilers 2nd ed, ISA, 1991 [5] Philip J Thomas, Simulation of Industrial Processes for Control Engineers, Elsevier, 1999 [6] Nguyễn Phùng Quang, MATLAB simulink dành cho kĩ sư điều khiển tự động, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2004 [7] Nguyễn Doãn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội, 2002 69 Phụ lục PHỤ LỤC P1 Bảng số liệu tham số nhận dạng Bảng Số liệu tham số nhận dạng Tên số Lưu lượng Độ mở van Lưu lượng Lưu lượng Độ tụt áp liệu than tuabin nước suất (Kg/s) (%) (Kg/s) (Kg/s) (Kg/s) 1,125 1,536 4,586 4,895 0,369 3,321 3,335 10,589 11,302 0,529 4,762 4,096 18,965 20,224 0,982 6,121 4,765 22,374 23,881 1,425 6,875 5,264 31,845 33,990 1,756 8,235 5,895 37,264 39,774 1,963 8,825 6,152 41,268 44,047 2,346 9,345 6,456 47,689 50,901 2,692 9,356 6,566 49,960 53,324 2,725 10 9,341 6,556 49,958 53,322 2,712 Thời gian trích mẫu T = 250s P2 Các phương pháp nhận dạng a Sử dụng công cụ identification toolbox Sử dụng công cụ system identification toolbox matlab identification toolbox cơng cụ cung cấp nhiều mơ hình mẫu nhận dạng theo hàm truyền đạt, nhận dạng theo mơ hình trạng thái, nhận dạng miền theo tần số, miền thời gian 70 Phụ lục Ở sử dụng phương pháp nhận dạng theo hàm truyền miền thời gian Identification toolbox cung cấp đầy đủ dạng hàm truyền với số điểm cực, điểm không, thời gian trễ xác định theo mong muốn người sử dụng ➢ Chúng ta bắt đầu vào tìm hiểu sử dụng công cụ : Nhập ident vào giao diện matlab, cửa sổ toolbox lên : Hình Cửa số toolbox identification Trên giao diện toolbox ta thấy phần import data nơi ta nhập kiện đầu vào đầu đối tượng nhận dạng Khi click vào mục xuất phần kiểu liệu cho ta chọn Hình Cửa sổ import data Ở ta có : 71 Phụ lục • Time domain data : liệu miền thời gian • Freq domain data : liệu miền tần số Ta chọn time domain data xuất sổ giao diện nhập liệu: Hình Cửa sổ Impor Data Trong mục Workspace Variable ( Dữ liệu nhập vào Workspace) : • Input : liệu đầu vào • Output : liệu đầu Trong mục Data information ( Thơng tin liệu) : • Data name : Tên liệu • Starting time : Thời gian bắt đầu • Sample time : Thời gian trích mẫu 72 Phụ lục Trong phần more: Hình Giao diện Import Data Input properties : lựa chọn phương pháp chuyển từ liên tục sang rời rạc InterSample : Phương pháp gián đoạn hóa Period : thời gian khảo sát Channel Names : • Input : Tên tín hiệu vào • Output : Tên tín hiệu Physical Units of Variables ( Đơn vị vật lý tín hiệu vào/ra) Khi nhập thành công liệu, liệu thị giao diện import data 73 Phụ lục Hình Giao diện System Indentification Chọn chế độ tính hàm truyền Estimate chọn Process Models: Hình Chọn chế độ tính hàm truyền 74 Phụ lục Ở ta có giao diện phần chọn dạng hàm truyền : Hình Giao diện Process Models Trong phần Transfer Function ( dạng hàm truyền) • Poles : Lựa chọn số điểm cực All real (nghiệm thực) Underdameped ( nghiệm phức ) • Zero : Có điểm khơng • Delay : Có khâu trễ • Intergrator : Có khâu tích phân Trong phần Initial Guess : lựa chọn Auto-selected thông số hệ thống tự động tính tốn lấy gần Các cột initial guess thông báo auto Khung thị thông số hàm truyền : 75 Phụ lục Hình Khung thơng số hàm truyền Trong vùng khác để lựa chọn auto theo chế độ cơng cụ Sau ta click vào estimate để tự động tính tồn, thơng số hàm truyền thị giao diện Hình Kết thử nghiệm Trên giao diện ta ghi lại thơng số hàm truyền cần tính tốn b Nhận dạng theo đường đặc tính Xác định hệ số khuếch đại k, số thời gian T hàm truyền khâu quán tính bậc Gs = k + Ts 76 Phụ lục h(t) A k  t T Hình 10 Đặc tính khâu qn tính bậc Từ đồ thị h(t), kẻ tiếp tuyến với h(t) điểm gọi góc đường tiếp tuyến  Khi ta có : tan  = dh(+0) ks k = lim s[sH(s)-h(+0)]= lim sG ( s) = lim = s → s → s → dt + Ts T Ngoài ra, t →  lim h(t ) = lim sH ( s ) = lim G ( s ) = lim t → s →0 s →0 s →0 k =k + Ts Bởi ta xác định hai tham số k, T cho hàm truyền G(s) khâu quán tính bậc từ đồ thị hàm độ h(t) sau: ➢ Hồnh độ đường tiệm cận với h(t) t →  giá trị k ➢ Kẻ đường tiếp tuyến với h(t) t=0 ➢ Hoành độ điểm A đường tiếp tuyến mà có tung độ k tham số T cần tìm Hơn nữa, thời điểm T ta cịn có h(T ) = k (1 − e−1 )  0, 632k Do nhiều trường hợp, để tìm T cách đơn giản, người ta xác định điểm h(t) mà có giá trị khoảng 0,632 giá trị cực đại k 77 ... viên hướng dẫn : PGS.TS Bùi Quốc Khánh Sinh viên thực : Lê Xuân Thịnh Lớp : KTĐK-TĐH 03-K58 MSSV : 20133758 Giáo viên duyệt : Hà nội, 6-2018 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: Nghiên... tuabin theo lị thay đổi cơng suất 61 Hình Đồ thị thay đổi nhiệt trị than chế độ tuabin flow boiler 62 Hình Sơ đồ mơ chế độ hỗn hợp 63 Hình Kết mô chế độ hỗn hợp thay đổi công suất... DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT PID Proportional Integral Bộ điều khiển vi tích phân Derivative tỷ lệ Controller FD Forced Draff Quạt gió PA Primary Air Quạt gió cấp HP Turbine High Pressure Turbine Tuabin