Xây dựng hệ điều khiển phụ tải nhiệt phục vụ vận hành tối ưu nhà máy nhiệt điện đốt than áp suất cận tới hạn

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu cá nhân tơi hướng dẫn giáo viên hướng dẫn Các số liệu kết nghiên u trung thực chưa công bố công trình khác GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Hà Nội, tháng 08 năm 2021 Nghiên cứu sinh PGS.TS Bùi Quốc Khánh Phạm Thị Lý LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại họ c Bách Khoa Hà Nội đ ã cho phép thự c luận án Cảm ơn Phòng đào tạo, Viện Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa, Viện Điện ln hỗ trợ tạo điều kiện thuận lợi cho suốt q trình tơi thực luận án Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thầy, người giáo viên hướng dẫn PGS.TS Bùi Quốc Khánh tận tâm, tận lực hỗ trợ, động viên, hướng dẫn mặt chuyên mơn suốt q trình tơi thực luận án Xin chân thành cảm ơn tập th ể lãnh đạo, cán b ộ vận hành Công ty Cổ phần Nhiệt điện H ải Phịng ln tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực tập nhà máy tìm hiểu tài liệu, lấy số liệu sản xu ất từ nhà máy phục vụ việc nghiên cứu Đặc biệt, nghiên cứu sinh vô cảm ơn giúp đỡ chân thành, nhiệt tình quý báu hai cán nhà máy: anh Ngô Hồng Phong, Phó quản đốc Phân xưởng vận hành anh Triệu Quốc Hưng, Trưởng kíp điện, Phân xưởng Điện tự động Cơng ty Cổ phần Nhiệt điện Hải Phịng Hai anh nhiều cán kỹ thuật Nhà máy nhiệt điện Hải Phịng ln hỗ trợ nhiệt tình, sẵn sàng trao đổi thơng tin trả lời thắc mắc mà nghiên cứu sinh băn kho ăn v ề hoạt động điều khiển Nhà máy nhiệt điện, sẵn sàng cung cấp liệu cho nghiên cứu sinh dù b ất kể th ời gian nào,… Điều làm cho biết ơn vô Chính nhờ giúp đỡ nên Nghiên cứu sinh hồn thành nội dung luận án ngày hơm Tơi xin chân thành cảm ơn cán nghiên cứu Viện Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa giảng viên Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp, Trường Đại họ c Bách Khoa Hà Nội đ ã đư a góp ý, dẫn giúp tơi hồn thành mơ hình thử nghiệm phần cứng cho luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Khoa Điện – Điện tử , Bộ môn Điều khiển học, Trườ ng đại h ọc Giao thông vận tải tạo điều kiện cho tơi tham gia chương trình đào tạo Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy ph ản biện, thầy hội đồng chấm luận án đồng ý đọc duyệt góp ý kiến q báu để tơi hoàn thiện luận án định hướng nghiên cứu tương lai Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình (ch ồng hai trai củ a tôi) bạn bè bên động viên, giúp đỡ suốt q trình tơi tham gia khóa học Nghiên cứu sinh MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ĐỐT THAN 1.1 Tổng quan công nghệ nhiệt điện 1.1.1 Phân loại 1.1.2 Phân loại NMNĐ the 1.1.3 Phân loại NMNĐ the 1.1.4 Nguyên lý làm việc NMNĐ đốt than phun áp suất cận tới hạn 1.2 Tổng quan hệ điều khiển phụ tải nhiệt 1.2.1 Các trình mạch vòng điều khiển hệ phụ tải nhiệt [11-15] 1.2.2 Cấu trúc tổng quát hệ 1.2.3 Các cấu trúc điều kh 1.3 Tổng quan vấn đề nghiên cứu hệ điều khiển phụ tải nhiệt 1.3.1 Những nghiên cứu c 1.3.2 Cấu trúc điều khiển 1.3.3 Những cơng trình ng máy nhiệt điện đốt than phun 1.4 Định hướng nghiên cứu KẾT LUẬN CHƯƠNG CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT 2.1 Xây dựng mơ hình điều khiển hệ phụ tải nhiệt theo cấu trúc điều khiển thông số nhà máy nhiệt điện Hải Phòng 2.1.1Phương pháp xây dựn 2.1.2Các trình t 2.1.3Phương pháp xây dựn 2.1.4Phương pháp xây dựn 2.1.5 Phương pháp xây dựng mơ hình hệ tuabin – máy phát 26 2.2 Xây dựng mơ hình điều khiển lị theo thơng số nhà máy nhiệt điện Hải Phòng 27 2.2.1 Yêu cầu than cấp vào lò 27 2.2.2 Cân nhiệt tổng quát lò 27 2.2.3 Động học trình truyền nhiệt sinh 29 2.2.4 Mạch vòng điều khiển cấp liệu 31 2.2.5 Mạch vòng điều khiển khói gió 32 2.2.6 Mạch vòng điều khiển cấp nước cho lò 37 2.2.7 Mạch vòng điều khiển nhiệt 38 2.3 Xây dựng mơ hình điều khiển tuabin máy phát 41 2.3.1 Động học trình tuabin 41 2.3.2 Động lực học máy phát 45 2.4 Mô hệ điều khiển phụ tải nhiệt nhà máy nhiệt điện Hải Phòng 45 2.5 Thiết kế hệ điều khiển phối hợp phát triển cấu trúc điều khiển Flynn 48 2.5.1 Đề xuất cấu trúc điều khiển phối hợp 48 2.5.2 Thiết kế điều khiển cấu trúc điều khiển phối hợp 49 2.5.3 Mô đánh giá cấu trúc điều khiển phối hợp với cấu trúc khác với hai cấu trúc điều khiển đơn biến hệ phụ tai nhiệt 54 2.5.4 Các đáp ứng mô 56 2.5.5 Đánh giá ba cấu trúc điều khiển theo tiêu vận hành tối ưu 60 2.6 Ứng dụng giải thuật di truyền để tối ưu hóa tham số điều khiển hệ phụ tải nhiệt 61 2.6.1 Các tiêu vận hành tối ưu nhà máy nhiệt điện đốt than .61 2.6.2 Dùng giải thuật di truyền để tìm tham số tối ưu điều khiển theo tiêu chuẩn JN Jf 62 KẾT LUẬN CHƯƠNG 67 CHƯƠNG ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON - FUZZY ĐỂ BÙ NHIỄU CHO HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT 68 3.1 Ứng dụng mạng Noron - Fuzzy để thiết kế điều khiển bù nhiễu 68 3.1.1 Ảnh hưởng nhiễu đến hệ điều khiển phụ tải nhiệt đề xuất giải pháp khắc phục 68 3.1.2 Ứng dụng mạng Noron - Fuzzy để thiết kế điều khiển bù nhiễu 70 3.1.3 Thiết kế mơ hình mẫu sử dụng mạng nơron 72 3.1.4 Thiết kế khâu bù nhiễu lò tuabin 75 3.1.5 Kết mô 84 KẾT LUẬN CHƯƠNG 89 CHƯƠNG XÂY DỰNG THIẾT BỊ MÔ PHỎNG THỜI GIAN THỰC ĐỂ KIỂM CHỨNG, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN HỆ PHỤ TẢI NHIỆT NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 90 4.1 Khái quát chung thiết bị mô thời gian thực 90 4.1.1 Nguyên lý thiết bị mô thời gian thực 90 4.1.2 Chọn cấu hình thiết bị mơ thời gian thực để đánh giá hệ điều khiển phụ tải nhiệt 91 4.2 Nghiên cứu đánh giá điều khiển hệ phụ tải nhiệt thiết bị mô thời gian thực 92 4.2.1 Sơ đồ nguyên lý thiết bị mô thời gian thực DSP 1104 - AC 800M 92 4.2.2 Cấu trúc thiết bị mô thời gian thực với AC800M-DSP 1104 93 4.2.3 Kết xây dựng mơ hình 94 4.3 Nghiên cứu đánh giá điều khiển bù nhiễu cho hệ phụ tải nhiệt thiết bị mô thời gian thực 97 KẾT LUẬN CHƯƠNG 100 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 PHỤ LỤC I CÁC VẤN ĐỂ THIẾT KẾ HỆ PHỤ TẢI NHIỆT PHỤ LỤC II NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT PHỤ LỤC III XÂY DỰNG THIẾT BỊ MÔ PHỎNG THỜI GIAN THỰC ĐỂ KIÊM CHỨNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu A Ck Cx Chbh Chqn Cf Cb D E GCN GCP GFN g(∆P) Hf h JN Jf KP, KI, KD kbx, kdl kT mn * N , Ne Ncơ, Nđiện, Nh NmH, NmI, NmL Ph, Ph pbd * Qk, Qx Qf, Qgio, Qnước QTL, Qhh Qm Qtn Qsh Qm, Qr Tk Tx Thbh Thqn Tfo, Ta TNL , Tm Tqd Te TJ un, uh Vf Vh R * Wf, Wf Wa Wnn, Wnc Wnx, Wnl Whv, Whr Wh Wk Wx Whbh Whqn µh % , emax ∆P, ∆N ii Ký hiệu PID PC CFB DEB FDF IDF CV GA IMC HIL SIL DCS PLC ADC DAC IP NMNĐ BH SH BN HN QN TN QK HP IP LP iii III.4 Sơ đồ đấu dây AC800M với DS1104 Hình PL.III.16 Sơ đồ đấu dây Bộ chuy ển đối tín hiệu: đầu module tương tự có d ải dịng điện (0÷20 mA 4÷20 mA) mà đầu vào card DS1104 tín hiệu điện áp 0÷10 V nên ta phải dùng chuyển đổi Do phạm vi phòng thí nghiệm khoảng cách thiết bị khơng q lớn nên có th ể bỏ qua nhiễu sút áp, ta đơn giản sử dụng mạch điện trở để chuyển tín hiệu dịng điến 0÷20mA thành 0÷10V Card DS1104 gắn vào cổng PCI củ a máy tính sau nối cáp vào tín hiệu vào đầu nối card, đầu nối gồm 100 chân, cáp nối gồm 100 chân chia làm port (P1A, P1B) Đầu cáp nối nối bảng mạch vào tự thiết kế Hình PL.III.17 Board đầu vào card DS1104 Để thuận lợi cho việc đấu nối, chân vào AI810 AO810 đấu qua cầu đấu đưa bảng kết nối AC 800M 37 Hình PL.III.18 Bảng kết nối tín hiệu vào/ra III.5 Thiết kế đối tượng DS1104 Ở phần 4.2, mô hệ thống DS1104, ta đơn giản biên dịch chương trình Matlab xuống DS1104 theo dõi đáp ứng Control Desk, có nghĩa DS1104 nhà máy hoàn chỉnh Nhưng ta thiết kế mơ DS1104 chứa đối tượng, điều khiển đước tách thiết kế AC800 Hình PL.III.19 Thiết kế đối tượng Matlab Ở hình khối PI, PID thay khối ADC DAC Khối ADC nhận tín hiệu từ đầu vào DS1104 cịn khối DAC gửi tín hiệu đầu DS1104 Bên cạnh đó, để theo dõi đáp ứng AC800 ta phải thêm khối DAC vào đầu đáp ứng 38 Hình PL.III.20 Các khối vào thư viện DS1104 Ta vào mục “Simulink Library Browser”  “DS1104 MASTER PPC” chọn khối ADC DAC để đưa vào mơ hình Sau ta biên dịch chương trình xuống DS1104 tương tự cách làm chương Các bước xây dựng chương trình điều khiển: Bước 1: Tạo project Click File > New Project > Chọn Template AC800M đặt tên project ThermalPowerPlant Hình PL.III.21 Tạo project phần mềm Control Builder M Professional Bước 2: Thêm thư viện kết nối thư viện đến chương trình Khi tạo project Libraries có sẵn thư viện h ệ thống (bao gồm hàm phần sụn sử dụng cho nhiều ứng dụng) thư viện 39 (BasicLib, BasicHwlib ) Mộ t thư viện thêm vào application trước thêm vào Libraries folder Một thiết bị phần cứng kết nối tới cấu hình điều khiển t ương ứ ng với thư việ n phần cứng trước đượ c thêm vào Hardware folder Do ta phải thêm tất thư viện cần thiết (có thể tự tạo thư viện cần) trước lập trình Hình PL.III.22 Thêm thư viện vào project Bước 3: Tạo Application kết nối thư viện để lập trình Click chuột phải vào Applications folder chọn New Application đặt tên Trong đồ án em đặt tên test_pidsimplecc Hình PL.III.23 Tạo chương trình điều khiển Application chứa code để download xuống PLC Các câu lệnh lưu trữ chương trình (Programs), module ều khiển (Control Mudules) Phương pháp lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu c application cụ thể Applications folder bao gồ m folder application application khác Để tạo application folder application, click chuột phải lên application chọn New Folder Do đó, cấu trúc nhóm application Project Explorer Nó di chuyển application application folder folder cách kéo thả đối tượng Các folder thư viện kế t nối bao gồm tất thư viện kết nối tới application riêng biệt Các thư viện 40 kết nối cách click chuột phải lên folder chọn Connect Library Tuy nhiên, có thư viện đưa vào project kết nối tới application Nếu yêu cầu truy nhập kiể u bên thư viện, phải kết nối tới application Kết nối thư viện tới application cách right-clicking lên Connected Libraries icon chọn thư viện từ menu dropdown Hình PL.III.24 Kết nối thư viện với chương trình Bước 4: Khai báo biến Có nhiều kiểu bi ến khác Control Builder để lư u trữ tính tốn giá trị (cục bộ, tồn , truyền thơng, truy nhập biế n), biến cục sử dụng thường xuyên Control Builder Chúng nằm câu lệnh cục , mô đun điều khiể n chương trình Các biến truyền thơng sử dụng để truyền thông application điều khiển ho ặc điều khiển network Tên biến truyền thông phải project Trong project, Control Builder tự động tìm biến truyề n thông tham chiếu Nếu biến truyền thông truy nhập từ project khác, địa IP cần thiết lập Trong trường hợp này, sử dụng biến cục khai báo mô đun điều khiển tương ứng sau: Hình PL.III.25 Khai báo biến 41 Bước 5: Lập trình điều khiển Như nói phần trên, nộ i dung sử dụng ngơn ngữ Control Modules để lập trình Control Modules cách biên dịch lệch khác so v ới Programs truyền thống, ứng dụ ng dùng cách sử dụng nhớ xử lí nhanh so với Programs Nó coi khối chức nâng cao, chứa lệnh, đồ họa, khối chức (function blocks) control module khác ABB cung cấp nhiều control module thư viện chuẩn, người sử dụng tự tạo module khác từ kiểu có sẵn Hình PL.III.26 Tổng quan ngơn ngữ lập trình Control Module [71] Do cần xây dựng điều ển nên tạo Single control module tạo từ khối có sẵn thư viện gồm: RealToCC AnalogInCC AnalogOutCC PIDCC Các khối kết nối với dễ dàng qua đầu vào hình đây: Hình PL.III.27 Kết nối khối Control Module chương trình 42 Khi tạo thành cơng điều khiển, ta phải k ết nố i biến giá trị đặt, giá trị phản hồi ều khiển cho cách gán biến tương ứng vào bảng kết nối khối: Hình PL.III.28 Kết nối biến giá trị vào khối Control Module Bước 6: Cấu hình phần cứng tạo địa IP Giống lập trình, muốn sử dụng phần cứng ta phải kết nối thư viện phần cứng đ ó vào ều khiển tương ứng Sau tạo module điều khiển giống điều khiển thực tế sử dụng Hình PL.III.29 Cấu hình phần cứng cho điều khiển 43 Mỗi điều khiển đặt IP khác để truy cập đến dễ dàng Sử dụng cáp nối TK212 kết nối PC với cổng COM4 AC800M công cụ IPConfig để đặt IP Ở đây, IP là: 172.16.4.150 Bước 7: Kết nối biến tới kênh I/O Truy ền thông kênh I/O code thi ết lập b ằng cách kết nối biến tới kênh I/O Các tín hiệu đồ án kết nối đến địa kênh I/O sau: Hình PL.III.30 Kết nối biến tới cổng vào Ở ta phải chọn dạng dải tín hiệu với đầu vào 0÷10V, đầu 0÷20mA Ngồi điều chỉnh dải đo (scale) phù hợp để nhận giá trị vào xác Bước 8: Kiếm tra lỗi biên dịch chương trình xuống PLC Control Builder cho phép kiểm tra lỗi chương trình trước biên dịch Để kiểm tra chọn biểu tượng “check” cơng cụ Khi khơng có lỗi, phần mềm cho phép biên dịch chương trình xuống PLC thực theo dõi trực tiếp chế độ online Bước 9: Chỉnh định tham số điều khiển Thiết kế giao diện điều khiển giám sát Để thiết kế giao diện vần hành, ABB cung cấp phần mềm Plant Explorer Workplace [71] 44 Hình PL.III.31 Giao diện phần mềm Plant Explorer Workplace Vì việc xây d ựng giao diện phứ c tạp trải qua nhiều bước nên đồ án đưa giao diện hoàn chỉnh Giao diện điểu khiển cho phép người người vận hành thực hiển thao tác v ới nút điều khiển quan sát thông số quan trọng hệ thống: Nút chế độ “Man Mode”: người vận hành thay đổi giá trị đầu điều khiển nhằm giảm thời gian độ, giúp hệ thống vận hành nhanh đảm bảo ổn định cần thiết Nút chế độ “Auto Mode”: điều khiển hoạt động với tham số điều khiển tìm từ trước đó, hệ thống hoạt động bình thường Các thơng số điều khiển, thông số hệ thống công suất, áp suất, … hiển thị giao diện điều khiển Nút “Trend” cho phép người vận hành nhìn đồ thị xu hướng 45 Hình PL.III.32 Giao diện vận hành T ại “Trend” ta theo dõi tồn đáp ứng độ thị chọn thơng số để theo dõi đáp ứng Hình PL.III.33 Đồ thị xu hướng III.6 Thiết kế mơ hình mẫu điều khiển fuzzy dựa liệu thu thập từ hệ điều khiển thời gian thực III.6.1 Thiết kế mơ hình mẫu dựa liệu Tươ ng tự nh mục 3.3.3 để thiết kế mơ hình mẫu ta sử dụng mạng nơron có đầu vào tín hiệu đặt cơng suất phát, đầu đáp ứng công suất phát thực đáp ứng hơ i thực Cấu trúc mạng nơ ron hình PL.III.34 sử dụng cấu trúc truy ền thẳng nhiều lớp Percepton, đầu vào hai đầu Mạng nơron có hai lớp, lớ p thứ nhấ t có 10 n ơron sử dụng hàm kích ho ạt tuyến tính tansig Lớp thứ hai có nơ ron, sử dụ ng hàm kích hoạt tuyến tính purelin Phương pháp huấn luyện mạng sử dụng phương pháp Levenberg- Marquardt 46 Hình PL.III.34 Cấu trúc mạng nơron Trong đó: W ma trận trọng số mạng b ma trận bias Dữ liệu đầu vào chung cho hai mạng nơron để huấn luyện tín hiệu đặt MW với số lượng 69611 điểm, tạo với nhiều giá trị cơng suất phát tốc độ tăng tải Hình PL.III.35 Dữ liệu đầu vào hai mạng nơron Dữ liệu đầu thứ mạng nơron để huấn luyện cơng suất thực, với số lượng 69611 điểm Hình PL.III.36 Dữ liệu đầu mạng nơron công suất 47 Dữ liệu đầu thứ hai mạng nơron để huấn luyện áp suất thực với số lượng 69611 điểm Hình PL.III.37 Dữ liệu đầu mạng nơron áp suất Huấn luyện mạng nơron cho mơ hình mẫu cơng cụ NNStart phần mềm Matlab&Simulink ta có trình huấn luyện mạng hình PL.III.38: Hình PL.III.38 Huấn luyện mạng noron Matlab/Simulink Sau 1000 kỷ nguyên hu ấn luyện mạng với đầu vào công suất đặt, đầu công suất thực áp su ất thực Thời gian huấn luy ện mạng 64 giây, sai lệch đầu mạng nơron đầu liệu mục tiêu gần khơng có Dữ liệu huấn luyện mạng (Traning data) sử dụng 70% tổng liệu, liệu kiểm tra online 48 (Validation data) sử dụng 15% tổng liệu, liệu kiểm tra offline (Testing data) sử dụng 15% tổng liệu Hình PL.III.39 Kết huấn luyện mạng nơron công suất phát Trên hình PL.III.39 ta thấ y kết đầu mạng đầu liệu huấn luyện giống Các tham số mạng nơron sau huấn luyện mạng sau: IW1,1 IW2,1 0.0021 1.19 0.0093 b2 0.467 III.6.2 Ứng dụng nguyên lý mờ thiết kế điều khiển bù nhiễu Tương tự mục 3.3.4 chương 3, điều khiển bù nhiễu thiết kế sử dụng nguyên lý mờ đượ c giữ nguyên đầu vào, đầu luật hợp thành mờ Tuy nhiên, chạy thiết bị thời gian thực (DS1104 – dSPACE) nên đầu áp suất điều khiển công suất phản hồi điều khiển xảy 49 tượng vòng lặp đại số thiết bị thời gian thực khơng xác định rõ đầu vào/ra v ị trí (điều không bị ảnh hưởng mô Matlab&Simulink) Do đó, thiế t kế hệ điều khiển bù nhiễu DS1104, phải thêm khâu trễ vào phần phản hồi tín hiệu áp suất điều khiển Khi có khâu trễ phản hồi tín hiệu áp suất lại gây đồng tín hiệu đầu mờ mờ xử lý nhanh Do đó, đầu mờ ph ải thêm khâu hậu x lý khâu trễ giố ng hệt khâu trễ phần phản hồi tín hiệu áp suất điều khiển Khâu trễ có dạng sau: G (s) Ts 1 50 e s ... nhiệt ph ục vụ vận hành tối ưu nhà máy nhiệt điện đố t than áp suấ t cận tới h ạn” nhằm xây dựng mơ hình điều khiển hệ phụ tải nhiệt ? ?áp ứng yêu cầu vận hành tối ưu nhà máy nhiệt điện đốt than, cho... KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI NHIỆT Đặt vấn đề Hệ điều khiển phụ tải nhiệt cốt lõi điều khiển nhà máy nhiệt điện đốt than Hoạt động hệ phụ tải nhiệt có tính định tới ổn định chất lượng hệ điều khiển. .. GCP điều khiển áp suất 10 GCN điều khiển công suất Như vậy, hệ điều khiển hệ điều khiển phụ tải nhiệt hệ điều khiển đa biến tác động xen kênh 1.2.3 Các cấu trúc điều khiển hệ phụ tải nhiệt nhà máy