Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp chỉnh định hệ thống điều khiển quá trình nhiệt điện trong điều kiện phụ tải biến đổi

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:165

Thêm vào BST

Báo xấu

41
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là Xây dựng hệ thống phương pháp chỉnh định bộ điều khiển quá trình nhiệt với tính chất bất định và phi tuyến cao, đặc biệt trong điều kiện phụ tải biến đổi, nhằm duy trì tính ổn định, bền vững của hệ thống.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp chỉnh định hệ thống điều khiển quá trình nhiệt điện trong điều kiện phụ tải biến đổi

MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. vi LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT...................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..................................................................................x 1. Sự cần thiết của đề tài .......................................................................................1 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .....................................................2 3. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...........................................................3 5. Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu .................................................................4 6. Cấu trúc của luận án ..........................................................................................4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHỈNH ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐIỆN ..............................................................................................5 1.1. Tổng quan về công nghệ nhiệt điện ................................................................5 1.1.1. Nguyên lý làm việc cơ bản của NMNĐ đốt than ......................................5 1.1.2. Lò hơi NMNĐ theo thông số hơi chính....................................................7 1.1.3. Công nghệ đốt than của lò hơi NMNĐ ....................................................7 1.1.3.1. Công nghệ đốt than phun (Pulverized Coal - PC) ..............................7 1.1.3.2. Công nghệ đốt tầng sôi tuần hoàn (CFB) ...........................................8 1.2. Đặc trưng của quá trình nhiệt trong nhà máy nhiệt điện ............................... 10 1.2.1. Tính phức tạp và tương hỗ của thông số quá trình.................................. 10 1.2.2. Đặc trưng bất định và phi tuyến của đối tượng nhiệt trong NMNĐ ........ 11 1.2.2.1. Phụ tải biến đổi do yêu cầu vận hành ............................................... 11 1.2.2.2. Phụ tải biến đổi do sự cố ................................................................. 12 1.3. Hệ thống điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ ................................................. 13 1.3.1. Các hệ thống điều khiển cơ bản ............................................................. 15 1.3.1.1. Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin ................................................... 15 1.3.1.2. Điều khiển công suất lò hơi ............................................................. 17 1.3.1.3. Điều khiển cấp không khí cho buồng đốt ......................................... 17 1.3.1.4. Điều khiển mức nước bao hơi .......................................................... 18 1.3.1.5. Điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt/tái nhiệt ...................................... 18 i
1.3.2. Cấu hình đặc trưng hệ điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ ...................... 20 1.3.2.1. Cấu trúc tầng hai vòng ..................................................................... 20 1.3.2.2. Bộ điều khiển PID ........................................................................... 21 1.4. Chỉnh định hệ thống điều khiển trong NMNĐ .............................................. 21 1.4.1. Cơ bản về chỉnh định hệ tầng................................................................. 21 1.4.2. Phương pháp ứng dụng thực tế .............................................................. 22 1.4.2.1. Chỉnh định theo phương pháp cơ bản .............................................. 22 1.4.2.2. Chỉnh định thực tế ........................................................................... 24 1.4.3. Hạn chế của phương pháp chỉnh định truyền thống................................ 25 1.4.4. Chỉnh định và vận hành ở các NMNĐ Việt Nam ................................... 25 1.4.4.1. Công tác chỉnh định và thử nghiệm ................................................. 25 1.4.4.2. Thực tế vận hành ............................................................................. 26 1.5. Các phương pháp chỉnh định nâng cao ......................................................... 27 1.5.1. PID tự động điều chỉnh (Auto-tuning PID) ............................................ 28 1.5.2. Gain-scheduling PID ............................................................................. 29 1.6. Đánh giá tổng quan ...................................................................................... 30 1.7. Đặc tính quá độ của quá trình nhiệt NMNĐ ................................................. 31 1.7.1. Đặc tính quá độ của đối tượng ............................................................... 31 1.7.2. Quá trình nhiệt có tự cân bằng ............................................................... 31 1.7.2.1. Đặc tính động học đặc trưng ............................................................ 31 1.7.2.2. Trường hợp đặc biệt ........................................................................ 33 1.7.2.3. Đặc tính quá độ của van điều chỉnh ................................................. 34 1.7.3. Quá trình nhiệt không có tự cân bằng .................................................... 35 1.8. Nhận dạng đối tượng đang làm việc và mô hình bất định ............................. 37 1.8.1. Yêu cầu nhận dạng đối tượng đang làm việc .......................................... 37 1.8.2. Mô hình bất định tổng quát .................................................................... 38 1.9. Lý thuyết bộ điều khiển bền vững và chỉ số dao động mềm ......................... 39 1.9.1. Giới thiệu .............................................................................................. 39 1.9.2. Khái niệm chỉ số dao động và bộ điều khiển bền vững [87, 88] ............. 39 1.9.3. Chỉ số dao động mềm và hằng số quán tính của bộ điều khiển bền vững …………………………………………………………………………………41 1.9.3.1. Chỉ số dao động mềm ...................................................................... 41 1.9.3.2. Đường biên mềm và đặc tính mềm [87, 88] ..................................... 41 ii
1.9.3.3. Đặc tính mềm và độ dự trữ ổn định của hệ thống ............................. 42 1.9.3.4. Xác định hằng số quán tính của bộ điều khiển bền vững [20, 88]..... 42 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ...................................................................................... 44 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NHẬN DẠNG QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐIỆN ........ 45 2.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 45 2.2. Mô hình hóa quá trình nhiệt NMNĐ vòng hở ............................................... 45 2.2.1. Lựa chọn mô hình .................................................................................. 45 2.2.1.1. Quá trình có tự cân bằng .................................................................. 46 2.2.1.2. Quá trình không có tự cân bằng ....................................................... 47 2.2.2. Xây dựng hàm mục tiêu ......................................................................... 48 2.2.2.1. Đối tượng nhiệt có tự cân bằng ........................................................ 48 2.2.2.2. Đối tượng nhiệt không có tự cân bằng ............................................. 50 2.2.3. Lựa chọn mô hình cho quá trình có tự cân bằng ..................................... 50 2.3. Nhận dạng đối tượng nhiệt NMNĐ trong vòng kín ...................................... 51 2.3.1. Lựa chọn xung kích thích ...................................................................... 51 2.3.1.1. Xung chữ nhật ................................................................................. 52 2.3.1.2. Xung hàm mũ .................................................................................. 52 2.3.1.3. Xung tam giác ................................................................................. 53 2.3.2. Xác định đặc tính tần số của đối tượng .................................................. 53 2.3.2.1. Công thức xác định ......................................................................... 53 2.3.2.2. Xác định đặc tính tần số từ đặc tính thời gian .................................. 55 2.3.3. Nhận dạng đối tượng vòng ngoài ........................................................... 57 2.3.3.1. Xác định thành phần cơ sở .............................................................. 57 2.3.3.2. Xác định thành phần bất định .......................................................... 59 2.3.4. Nhận dạng đối tượng vòng trong ........................................................... 61 2.3.5. Xác định dải tần số bản chất nhận dạng đối tượng ................................. 61 2.4. Phương pháp giải bài toán tối ưu .................................................................. 63 2.4.1 Giới thiệu ............................................................................................... 63 2.4.2. Thuật toán tối ưu hóa vượt khe nhận dạng quá trình nhiệt NMNĐ ......... 63 2.4.3. Xác định véctơ gradient của hàm không trơn ......................................... 66 2.4.4. Xác định véc tơ xuất phát cho bài toán tối ưu ........................................ 66 2.4.4.1. Bài toán nhận dạng đối tượng vòng hở ............................................ 66 2.4.4.2. Bài toán nhận dạng vòng kín ........................................................... 68 iii
2.5. Ứng dụng phương pháp nhận dạng đối tượng ............................................... 71 2.5.1. Nhận dạng đối tượng vòng hở................................................................ 71 2.5.1.1. Đối tượng nhiệt có tự cân bằng ........................................................ 71 2.5.1.2. Quá trình nhiệt có tính chất tích phân .............................................. 80 2.5.2. Nhận dạng đối tượng trong vòng kín ..................................................... 83 2.6. Kết quả và thảo luận .................................................................................... 90 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ...................................................................................... 91 CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP CHỈNH ĐỊNH BỘ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐIỆN ........................................................................................................ 93 3.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 93 3.2. Chỉ số bền vững của hệ thống điều khiển ..................................................... 93 3.3. Xác định chỉ số bền vững tối ưu theo kênh đặt ............................................. 95 3.4. Chỉnh định bộ điều khiển trong chế độ khởi động [CT1, 2] .......................... 97 3.4.1. Giới thiệu .............................................................................................. 97 3.4.2. Nhận dạng đối tượng và tổng hợp bộ điều khiển vòng trong .................. 99 3.4.3. Nhận dạng đối tượng và tổng hợp bộ điều khiển vòng ngoài.................. 99 3.5. Phương pháp chỉnh định đối tượng nhiệt điện đang làm việc...................... 100 3.5.1. Giới thiệu ............................................................................................ 100 3.5.2. Đặc tính mềm của hệ tầng hai vòng ..................................................... 100 3.5.2.1. Đặc tính mềm của hệ tương đương R1 ........................................... 100 3.5.2.2. Đặc tính mềm của hệ tương đương R2 ........................................... 102 3.5.3. Tính bất định của đặc tính mềm và độ bền vững của hệ thống ............. 103 3.5.4. Phương pháp xác định đặc tính mềm “xấu nhất” .................................. 104 3.5.5. Phương pháp chỉnh định theo đặc tính mềm xấu nhất [CT6] ................ 105 3.5.5.1. Phương pháp đề xuất ..................................................................... 105 3.5.5.2. Tổng hợp các bộ điều chỉnh cho thành phần cơ sở ......................... 106 3.5.5.3. Chỉnh định bộ điều khiển theo đặc tính mềm xấu nhất ................... 111 3.6. Minh họa phương pháp chỉnh định ............................................................. 113 3.6.1. Tổng hợp các bộ điều khiển cho thành phần cơ sở ............................... 114 3.6.2. Chỉnh định bộ điều khiển theo đặc tính mềm xấu nhất ......................... 115 3.6.3. Chất lượng hệ thống điều khiển ........................................................... 117 3.7. Kết quả và bàn luận.................................................................................... 118 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................... 119 iv
CHƯƠNG 4. THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG ...................................................... 120 4.1. Giới thiệu ................................................................................................... 120 4.2. Thực nghiệm từ số liệu thực nhà máy nhiệt điện ........................................ 120 4.3. Thực nghiệm phương pháp trên mô hình thí nghiệm .................................. 123 4.3.1. Mô hình thí nghiệm ............................................................................. 123 4.3.2. Cấu trúc điều khiển .............................................................................. 125 4.3.3. Các thiết bị trong hệ thống thí nghiệm ................................................. 126 4.3.4. Bộ điều khiển PID số hệ điều khiển tầng ............................................. 127 4.3.5. Phần mềm điều khiển hệ thống ............................................................ 128 4.3.6. Thực nghiệm trên hệ thống .................................................................. 131 4.3.6.1. Xây dựng đặc tính thiết bị ............................................................. 131 4.3.6.2. Tổng hợp bộ điều khiển và kiểm tra hệ thống ................................ 133 4.4. Kết quả và thảo luận .................................................................................. 141 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 .................................................................................... 142 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 143 Các kết quả đạt được của luận án ...................................................................... 143 Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo .................................................................. 143 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................. 151 v
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi. Công trình được thực dưới sự hướng dẫn của PGS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh . Kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa được công bố bởi tác giả nào khác. Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2018 Người hướng dẫn khoa học Tác giả PGS. TSKH Nguyễn Văn Mạnh Đỗ Cao Trung vi
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy hướng dẫn PGS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh đã tận tình hướng dẫn và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Trường ĐH Bách Khoa HN, Phòng đào tạo Trường ĐH Bách Khoa HN, Viện KH&CN Nhiệt-Lạnh, Bộ môn TĐH&ĐK quá trình Nhiệt-Lạnh, Xưởng chế tạo thiết bị áp lực (Viện KH&CN Nhiệt-Lạnh) đã hỗ trợ và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã chia sẽ, cổ vũ động viên để tôi có thể hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2018 Tác giả Đỗ Cao Trung vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa A(s) Mẫu thức của thành phần phân thức a 0, a1, … an Giây; phút Hằng số quán tính của mẫu thức a 11, a12, a13 Tham số số hóa bộ điều khiển R1(s) a 21, a22, a23 Tham số số hóa bộ điều khiển R2(s) B(s) Tử thức của thành phần phân thức b 0, b1, … bn Giây; phút Hằng số quán tính của tử thức Hệ thống điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin CCS (Coordinated control system) Hệ thống điều khiển phân tán (Distributed DCS control system) Bộ chuyền tín hiệu chênh áp (Diffirental DPT kPas pressure transmitter) Quán tính bậc nhất có trễ (First order plus FOPDT dead time) H(s) Hàm truyền hệ hở Tích phân quán tính bậc nhất và có trễ IFOPDT (Integrating first order plus dead time) Tích phân quán tính bậc hai có trễ với một IFOPDTZ điểm không dương (Integrating first order plus dead time with a zero) j Đơn vị ảo j2 = -1 J ( x) Gradien của J (x) Hằng số tỷ lệ, tích phân, vi phân của bộ điều Kp, Ti, Td khiển PID m0 Chỉ số dao động cứng m(ω), m Chỉ số dao động mềm ms Chỉ số dao động hệ thống mc Chỉ số dao động cắt Độ suy giảm chỉ số dao động (chỉ số bền Δm vững) NMNĐ Nhà máy nhiệt điện OPT(s) Thành phần phân thức của đối tượng   s  , O  s  O Mô hình bất định 1 2 O1(s), O2(s) Mô hình cơ sở PID Tỷ lệ-tích phân-vi phân (Proportional- viii
Integral-Derivative) R1(s), R2(s) Bộ điều khiển vòng ngoài và vòng trong r,  Bán kính, pha bất định SISO Một vào-một ra (Single input-single output) Vòng/phút ST Bộ truyền tín hiệu tốc độ (Speed transitter) (rpm) Quán tính bậc hai có trễ (Second order plus SOPDT dead time) s Toán tử Laplace T, T1, T2, θ Giây; phút Các hằng số quán tính Ta Giây; phút Hằng số quán tính biểu trưng Quán tính bậc ba có trễ với một điểm không TOPDTZ thực âm (Third order plus dead time with a zero) Throttle valve (van điều khiển cấp hơi TV tuabin) t Giây; phút Biến thời gian τ Giây; phút Trễ của đối tượng U(tu, yu) Điểm uốn của đặc tính quá độ u 1, u2 Tín hiệu điều khiển V(s) “nhân” bất định V1 Van điều khiển không trục V2, V3, V4 Van tay v1, v2 Nhiễu ω, ωc Rad/s Tần số và Tần số cắt W(s) Hàm truyền hệ kín Hàm truyền hệ hở tương đương cơ sở của W1td(s) bộ điều khiển R1(s) Hàm truyền hệ hở tương đương cơ sở của W2td(s) bộ điều khiển R2(s)  1td ( s) Hàm truyền hệ hở tương đương bất định của W bộ điều khiển R1(s)  2td ( s ) Hàm truyền hệ hở tương đương bất định của W bộ điều khiển R2(s) X, x Véc tơ tham số x, y Tích vô hướng của hai véc tơ y1, y2 Thông số quá trình nhiệt z1 Tín hiệu điều khiển ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu hình điển hình một tổ máy NMNĐ [92] ............................................5 Hình 1.2. Sơ đồ nhiệt nguyên lý một tổ máy NMNĐ ...............................................6 Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý lò hơi đốt than phun.......................................................8 Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý lò hơi tầng sôi tuần hoàn................................................9 Hình 1.5. Ảnh hưởng tương hỗ thông số quá trình lò hơi ....................................... 10 Hình 1.6. Đáp ứng của áp suất hơi và công suất với lưu lượng nhiên liệu .............. 12 Hình 1.7. Cấu trúc điều khiển cơ bản trong NMNĐ [76] ....................................... 14 Hình 1.8. Cấu trúc cơ bản hệ thống điều khiển NMNĐ ......................................... 15 Hình 1.9. Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin lò theo máy [82] ............................... 16 Hình 1.10. Điều khiển phối hợp lò hơi-tuabin máy theo lò [82] ............................. 16 Hình 1.11. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tải lò hơi ............................................. 17 Hình 1.12. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển cấp không khí cho buồng đốt .............. 17 Hình 1.13. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mức nước bao hơi [4] ......................... 18 Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt [82] ......... 19 Hình 1.15. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ hơi quá nhiệt ......................... 20 Hình 1.16. Cấu trúc điển hình điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ .......................... 20 Hình 1.17. Phương pháp chỉnh định trong mạch vòng hở [84] ............................... 23 Hình 1.18. Phương pháp Zigler-Nichols 2 [84]...................................................... 23 Hình 1.19. Phương pháp suy giảm giao động [84] ................................................. 24 Hình 1.20. Nguyên lý phương pháp PID tự chỉnh [82] .......................................... 28 Hình 1.21. Nguyên lý gain-scheduling PID [82] .................................................... 29 Hình 1.22. Đặc tính động học quá trình nhiệt NMNĐ ........................................... 32 Hình 1.23. Đặc tính động học đặc trưng quá trình nhiệt có tự cân bằng ................. 32 Hình 1.24. Đáp ứng xung bậc thang của áp suất hơi khi tănglưu lượng nhiên liệu . 33 Hình 1.25. Đáp ứng xung bậc thang của công suất khi tăng/giảm góc ở van TV .... 33 Hình 1.26. Đặc tính quá độ của đối tượng nhiệt có quá điều chỉnh ........................ 34 Hình 1.27. Đặc tính lưu lượng (a) và đặc tính thời gian (b) của van....................... 34 Hình 1.28. Đặc tính thời gian của van điều khiển .................................................. 35 Hình 1.29. Đặc tính động học của mức nước bao hơi ............................................ 36 Hình 1.30. Đặc tính đối tượng nhiệt không có tự cân bằng .................................... 36 Hình 1.31. Đặc tính cơ sở và điểm biến thiên bất định........................................... 38 x
Hình 1.32. Đồ thị các bán kính bất định và đường phủ trên [88] ............................ 39 Hình 1.33. Hệ điều khiển kín một vòng ................................................................. 40 Hình 1.34. Biến thiên của chỉ số dao động mềm theo tần số. ................................. 41 Hình 1.35. Đường biên mềm AOB ........................................................................ 42 Hình 1.36. Đường cong đặc tính mềm của hệ hở m = mc = 0,461 ........................... 44 Hình 2.1. Đặc tính quá độ đặc trưng của các quá trình nhiệt NMNĐ. .................... 46 Hình 2.2. Đặc tính quá độ chữ “S” của quá trình có tự cân bằng............................ 46 Hình 2.3. Phân tích đặc tính của đối tượng không có tự cân bằng .......................... 48 Hình 2.4. Phân tích đặc tính chữ “S” của quá trình có tự cân bằng ........................ 50 Hình 2.5. Cấu hình điều khiển tầng quá trình nhiệt NMNĐ ................................... 51 Hình 2.6. Xung chữ nhật với τ = 0.3, T = 1, u0 = 1 ................................................ 52 Hình 2.7. Xung parabol với τ = 0,2, a = 1, u0 = 1................................................... 53 Hình 2.8. Xung tam giác với τ = 0.5, T = 1, u0 = 1 ................................................ 53 Hình 2.9. Đặc tính thời gian và đường gấp khúc xấp xỉ ......................................... 55 Hình 2.10. Xung tam giác với τ = 0.5, T = 1, u0 = 1 .............................................. 56 Hình 2.11. Đặc tính tần số đặc trưng của đối tượng có tự cân bằng ....................... 62 Hình 2.12. Giải tần số bản chất đối tượng có tự cân bằng ...................................... 62 Hình 2.13. Giải tần số bản chất đối tượng không có tự cân bằng ........................... 63 Hình 2.14. Sự hình thành hướng cải tiến được ....................................................... 64 Hình 2.15. Lưu đồ thuật toán tối ưu hóa vượt khe theo hướng trực giao tựa nón ... 65 Hình 2.16. Lưu đồ xác định bước vượt khe ........................................................... 65 Hình 2.17. Đáp ứng động học của đối tượng không có tự cân bằng ...................... 67  1 có tự cân bằng .................................... 69 Hình 2.18. Dạng đặc tính thời gian của O Hình 2.19. Đặc tính thời gian đối tượng không có tự cân bằng .............................. 70  2  s  ......................................................... 70 Hình 2.20. Một đặc tính thời gian của O Hình 2.21. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O1(s) ............................................ 71 Hình 2.22. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị và đặc tính tần số của O1(s) và O1’(s) . 72 Hình 2.23. Đáp ứng xung bậc thang của đối tượng O2(s) ....................................... 73 Hình 2.24. Đặc tính quá độ và tần số của O2(s) và đối tượng xấp xỉ O2’(s) ............ 73 Hình 2.25. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O3(s) ............................................ 74 Hình 2.26. Đặc tính động học và tần số của O3  s  và O'3  s  , O'3'  s  , O''3'  s  .......... 75 Hình 2.27. Đặc tính động học và tần số của O3  s  và O3(1)  s  , O3(2)  s  .................. 76 xi
Hình 2.28. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O4(s) ............................................ 76 Hình 2.29. Đặc tính động học và tần số của O4(s) và O’4 (s) .................................. 77 Hình 2.30. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O5(s) ............................................ 78 Hình 2.31. Đặc tính động học và tần số của O5  s  và O'5  s  , O'5'  s  ...................... 78 Hình 2.32. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O6(s) ............................................ 79 Hình 2.33. Đặc tính động học và tần số của O6  s  và O'6  s  , O'6'  s  ...................... 80 Hình 2.34. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O7(s) ............................................ 80 Hình 2.35 Đáp ứng động học xung bậc thang của các đối tượng............................ 81 Hình 2.36. Đáp ứng xung bậc thang đơn vị của O8(s) ............................................ 82 Hình 2.37 Đáp ứng xung bậc thang của các đối tượng ........................................... 82 Hình 2.38. Đáp ứng xung bậc thang và đặc tính tần số của các đối tượng .............. 83 Hình 2.39. Cấu hình điều khiển tầng quá trình nhiệt NMNĐ ................................. 83 Hình 2.40. Mức biến đổi áp suất hơi theo nhiên liệu cấp lò [79] ............................ 84 Hình 2.41. Đặc tính thời gian y1(t) ........................................................................ 85 Hình 2.42. Đặc tính tần số Y1(s) ............................................................................ 86 Hình 2.43. Đặc tính thời gian y2(t) ........................................................................ 86 Hình 2.44. Đặc tính tần số Y2(s) ............................................................................ 86 Hình 2.45. Ảnh tần số O1(s) .................................................................................. 87 Hình 2.46. Đặc tính tần số O1(s) và kết quả nhận dạng .......................................... 87 Hình 2.47. Bán kính bất định của O1 ( s) (ω = 0,5÷3) .............................................. 87 Hình 2.48. Đặc tính tần số O2(s) và kết quả nhận dạng .......................................... 88 Hình 2.49. Biến thiên thời gian của mô hình ......................................................... 88 Hình 2.50. Biến thiên tần số của mô hình gốc O1  s  ............................................ 89 Hình 2.51. Biến thiên thời gian của mô hình gốc O 2  s  ....................................... 89 Hình 2.52. Biến thiên tần số của mô hình gốc O 2  s  ............................................ 90 Hình 3.1. Hệ điều khiển kín một vòng ................................................................... 94 Hình 3.2. Đường biên mềm A’OB’ khi giảm chỉ số dao động ............................... 94 Hình 3.3. Đặc tính mềm với ω = 0 → +∞ .............................................................. 95 Hình 3.4. Biến thiên của f(x) theo x ...................................................................... 97 Hình 3.5. Cấu trúc hệ thống khi có bộ điều khiển .................................................. 97 Hình 3.6. Cấu trúc hệ thống khi không có bộ điều khiển ....................................... 98 Hình 3.7. Xung bậc thang đầu vào và đáp ứng quá trình ........................................ 98 xii
Hình 3.8. Cấu trúc tương đương của bộ điều khiển R1 ......................................... 101 Hình 3.9. Hệ một vòng tương đương của bộ điều khiển R1 .................................. 101 Hình 3.10. Hệ tương đương của bộ điều khiển R1 cho thành phần cơ sở [23] ...... 101 Hình 3.11. Hệ một vòng tương đương của bộ điều khiển R1 ................................ 102 Hình 3.12. Cấu trúc tương đương của bộ điều khiển R2 ....................................... 102 Hình 3.13. Hệ một vòng tương đương của bộ điều khiển R2 ................................ 102 Hình 3.14. Biến thiên của đặc tính mềm hệ bất định ............................................ 103 Hình 3.15. Đặc tính của khâu tương đương ......................................................... 107 Hình 3.16. Đặc tính mềm H1 ( m ω  jω) ............................................................ 109 Hình 3.17. Hệ một vòng tương đương của bộ điều khiển R1 ................................ 109 Hình 3.18. Hệ số k bổ sung trong mạch vòng ...................................................... 109 Hình 3.19. Đặc tính mềm với ω = 0 → +∞ .......................................................... 110 Hình 3.20. Chỉnh định theo đặc tính mềm ........................................................... 111 Hình 3.21. Đặc tính mềm hệ hở bất định ............................................................. 113 Hình 3.22. Hệ thống điều khiển áp suất hơi ......................................................... 114 Hình 3.23. Cấu trúc tương đương của bộ điều khiển R1 ....................................... 114 Hình 3.24. Đặc tính quá độ của đối tượng tương đương W1tđ .............................. 115 Hình 3.25. Đặc tính mềm H1 ( m ω  jω) của hệ hở tương đương........................ 115  2 (  m ω  jω) .............................................. 116 Hình 3.26. Đặc tính mềm xấu nhất H  1 (  m ω  jω) .............................................. 116 Hình 3.27. Đặc tính mềm xấu nhất H Hình 3.28. Đặc tính mềm cơ sở và xấu nhất của R2(s) ......................................... 117 Hình 3.29. Đặc tính mềm cơ sở và xấu nhất của R1(s) ......................................... 117 Hình 3.30. Đặc tính mềm cơ sở và xấu nhất của R1(s) ......................................... 118 Hình 4.1. Cấu trúc điều khiển áp suất hơi quá nhiệt ............................................. 121 Hình 4.2. Đặc tính thời gian của u2(t) và y2(t) từ lần đo thứ nhất ......................... 121  2 ( s) từ lần đo thứ nhất ........................................ 121 Hình 4.3. Đặc tính tần số của O  2 ( s) và kết quả nhận dạng ............. 122 Hình 4.4. Tổng hợp các đặc tính tần số của O Hình 4.5. Đặc tính thời gian của y2(t) và y1(t) từ lần đo thứ nhất ......................... 122  1 (s ) từ lần đo thứ nhất ........................................ 123 Hình 4.6. Đặc tính tần số của O  1 ( s ) và kết quả nhận dạng .................... 123 Hình 4.7. Tổng hợp đặc tính tần số của O Hình 4.8. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thí nghiệm ................................................... 124 Hình 4.9. Mô hình thí nghiệm lắp đặt .................................................................. 124 xiii
Hình 4.10. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tốc độ tuabin..................................... 125 Hình 4.11. Cấu trúc hệ thống khi có bộ điều khiển .............................................. 125 Hình 4.12. Đồ thị rời rạc hóa tín hiệu của bộ điều chỉnh PID số [15, 17] ............. 127 Hình 4.13. Lưu đồ thuật toán lấy số liệu (Data collection) ................................... 128 Hình 4.14. Lưu đồ thuật toán điều khiển tốc độ tuabin ........................................ 129 Hình 4.15. Giao diện phần mềm thu thập dữ liệu................................................. 130 Hình 4.16. Giao diện phần mềm điều khiển tốc độ tuabin ................................... 131 Hình 4.17. Đặc tính van điều khiển và tốc độ tuabin ........................................... 131 Hình 4.18. Đặc tính thời gian thông số lưu lượng nước ....................................... 132 Hình 4.19. Đặc tính thời gian thông số tốc độ tuabin ........................................... 132  1 ( s) và kết quả nhận dạng ................. 133 Hình 4.20. Đặc tính tần số của đối tượng O Hình 4.21. Cấu trúc điều khiển với vòng trong tự động ....................................... 134 Hình 4.22. Xác định các tham số BĐK số trên giao diện ..................................... 134 Hình 4.23. Đặc tính điều chỉnh tốc độ tuabin khi giảm 20% công suất ................ 135 Hình 4.24. Đặc tính tăng tốc độ tuabin ................................................................ 135  2 ...................................................... 136 Hình 4.25. Nhận dạng đối tượng bất định O  1 ...................................................... 136 Hình 4.26. Nhận dạng đối tượng bất định O Hình 4.27. Đặc tính mềm của hệ hở ứng với R1(s)............................................... 137 Hình 4.28. Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với R2(s) ................................ 138 Hình 4.29. Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với R1(s) ................................ 138 Hình 4.30. Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với BĐK R2(s) mới ................ 139 Hình 4.31. Đặc tính mềm xấu nhất của hệ hở ứng với BĐK R1(s) mới ................ 139 Hình 4.32. Đặc tính điều chỉnh của hệ thống ....................................................... 139 Hình 4.33. Đặc tính điều chỉnh tốc độ tuabin khi giảm 25% công suất tải ........... 140 Hình 4.34. Đặc tính điều chỉnh tốc độ tuabin khi tăng 25% công suất tải............. 141 xiv
MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết của đề tài Cơ cấu nguồn năng lượng hiện tại của Việt Nam, riêng NMNĐ đốt than đã chiếm khoảng 30% tổng công suất. Theo quy hoạch, đến 2030 thì NMNĐ sẽ chiếm trên 50% tổng sản lượng điện [22]. Trên thế giới, NMNĐ đốt than hiện cũng chiếm khoảng 40%, NMNĐ khí khoảng 20% tổng sản lượng. Đặc trưng chung của các quá trình nhiệt trong NMNĐ là phi tuyến [13, 48, 72, 73, 76, 79]. Tính chất này cùng với đặc điểm tác động tương hỗ phức tạp của các thông số dẫn đến đặc trưng phức tạp hơn của quá trình nhiệt trong NMNĐ là tính bất định. Với đặc thù công nghệ là hệ nhiều thông số vào/ra, phức tạp, tác động trực tiếp, gián tiếp lẫn nhau, trải qua thời gian dài phát triển, hệ thống điều khiển quá trình nhiệt trong NMNĐ được phân rã thành những hệ con một đầu vào, một đầu ra SISO (Single input/Single output) sử dụng các bộ điều khiển PID (bao gồm cả P, PI, PD) được nghiên cứu [36, 40, 41, 42, 69, 73, 76, 80, 82], kiểm nghiệm thực tế, thừa nhận và sử dụng rộng rãi [30, 43, 44, 54, 62, 67, 68, 74, 84]. Các hệ SISO có thể là một vòng hoặc tầng hai vòng (cascade), trong đó hệ hai vòng chiếm phần lớn và được sử dụng để điều khiển những thông số quan trọng nhất của tổ máy. Hệ thống gồm nhiều mạch vòng điều chỉnh cho từng tham số quá trình, đối với mỗi vòng điều chỉnh tín hiệu tác động trực tiếp sẽ là tín hiệu điều khiển còn tín hiệu tác động khác sẽ được xác định là nhiễu. Phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID phổ biến là dựa vào kinh nghiệm chuyên gia [76]. Công việc được thực hiện tại một mức tải vận hành cụ thể nào đó của NMNĐ và thường ở mức tải định mức. Các tham số bộ điều khiển được tính toán và cài đặt cố định cho hệ thống. Khi tổ máy phải làm việc trong điều kiện phụ tải biến đổi, đặc biệt trong dải rộng, tăng/giảm công suất lớn sẽ làm cho các tham số quá trình tác động tương hỗ mạnh, tính chất phi tuyến của quá trình/đối tượng thể hiện rõ, đặc tính của hệ thống khác xa so với điều kiện chỉnh định ban đầu thì tính đáp ứng của hệ thống bị suy giảm rõ rệt, không vận hành tự động được, ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng vận hành ổn định và hiệu suất của nhà máy. Ngoài ra, tham số bộ điều khiển thường không được cập nhật, chỉnh định lại trong vòng đời làm việc của NMNĐ cũng ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng làm việc của hệ thống khi mà đặc tính của quá trình/thiết bị nhiệt đã thay đổi rất khác theo thời gian so với thời điểm chỉnh định lúc xây dựng nhà máy. Các NMNĐ ở Việt Nam là những ví dụ rõ ràng cho các đặc điểm kể trên. Để khắc phục các hạn chế trong chỉnh định bộ điều khiển, giúp hệ thống vận hành tốt trong chế độ phụ tải biến đổi, khoảng hai thập kỷ qua rất nhiều nghiên cứu 1
đã được công bố. Các nghiên cứu này tập trung vào hai hướng phát triển là: nâng cao chất lượng chỉnh định bộ điều khiển PID trong cấu hình SISO truyền thống và thiết kế, chỉnh định bộ điều khiển NMNĐ trong cấu hình nhiều đầu vào/ra MIMO (Multi-input/Multi-output). Trong đó điều khiển PI/PID nâng cao trong cấu hình SISO có lợi thế là không làm thay đổi cấu trúc điều khiển đã được thiết kế cho những NMNĐ đã được xây dựng cũng như không làm thay đổi gì quy trình vận hành đã có của NMNĐ. Gần đây, hai phương pháp được nghiên cứu là:  Bộ PID tự động điều chỉnh (Auto-tuning PID) [12, 41, 48, 56, 76]  Gain-scheduling PID [40, 59, 69, 73] Hai phương pháp này tập trung vào việc cập nhật thông số quá trình công nghệ, tăng cường khả năng thích nghi của bộ điều khiển làm tăng tính ổn định, bền vững của hệ thống Cùng với hướng nghiên cứu này, tác giả lựa chọn đề tài: Nghiên cứu phương pháp chỉnh định hệ thống điều khiển quá trình nhiệt điện trong điều kiện phụ tải biến đổi. Nghiên cứu sẽ tập trung vào phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID nhằm nâng cao độ bền vững của hệ thống điều khiển quá trình nhiệt điện. Trong đó, lý thuyết bộ điều khiển bền vững [20, 88] sẽ được nghiên cứu áp dụng. Lý thuyết này cho phép định lượng được độ dao động của hệ thống nên có nhiều hứa hẹn trong việc chỉnh định bộ điều khiển đảm bảo hệ ổn định trong dải biến thiên rộng, xử lý hiệu quả vấn đề bất định đặc trưng của quá trình nhiệt NMNĐ. Đây cũng là ưu điểm nổi trội của phương pháp này so với hai phương pháp chỉnh định thường được dùng trong công nghiệp. Đối với nhóm phương pháp của Zigler-Nichol 1&2 [14, 85] cho phép chỉnh định bộ điều khiển đảm bảo chỉ số dao động không thay đổi ở mức 0,22. Trong khi nhóm mô hình nội IMC (Internal Model Control) của Morari, Zafiriou và SIMC (Simple Internal Model Control) [5, 28, 77] cho phép tổng hợp bộ điều khiển có độ bền vững tương đối cao (hơn so với nhóm thứ nhất). Tuy nhiên, những thay đổi yêu cầu độ bền vững của hệ thống cũng luôn là vấn đề của nhóm phương pháp này đồng thời chỉ số dao động của hệ thống cũng không thể xác định trước được. Nếu áp dụng cho bài toán tổng hợp bộ điều khiển trong điều kiện phụ tải biến đổi, đặc biệt là biến đổi mạnh thì về bản chất phương pháp Zigler-Nichol cho phép chỉnh định hệ thống đảm bảo độ dự trữ ổn định kém. Nhóm phương pháp IMC cho hệ thống với độ bền vững rất phụ thuộc vào mô hình và không định trước được độ bền vững của hệ thống như mong muốn. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu: 2
Xây dựng hệ thống phương pháp chỉnh định bộ điều khiển quá trình nhiệt với tính chất bất định và phi tuyến cao, đặc biệt trong điều kiện phụ tải biến đổi, nhằm duy trì tính ổn định, bền vững của hệ thống. Đối tượng nghiên cứu: Hệ điều khiển quá trình nhiệt một đầu vào, một đầu ra (SISO-single input/single output) cấu trúc tầng trong NMNĐ, trong đó các quá trình nhiệt sẽ được xét theo bản chất bất định và phi tuyến, tính chất này thể hiện rõ khi hệ thống làm việc trong điều kiện phụ tải biến đổi và biến đổi mạnh. Phạm vi nghiên cứu: Nâng cao độ bền vững cho hệ thống điều khiển quá trình nhiệt NMNĐ hệ SISO cấu trúc tầng sử dụng bộ điều khiển PID. 3. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm:  Nghiên cứu khảo sát thực tế điều khiển đối tượng nhiệt NMNĐ.  Sử dụng mô hình bất định và cơ sở lý thuyết bộ điều khiển bền vững [88] để giải quyết bài toán chỉnh định bộ điều khiển cho đối tượng nhiệt bất định trong điều kiện phụ tải biến đổi.  Tính toán, kiểm nghiệm phương pháp trên phần mềm và số liệu thực tế thu thập tại NMNĐ.  Xây dựng mô hình thí nghiệm để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Phương pháp chỉnh định được đề xuất cho phép lựa chọn trước chỉ số bền vững của hệ thống điều khiển, điều này là yếu tố quyết định, đảm bảo độ ổn định cho hệ thống khi có sự biến đổi của phụ tải làm cho tính chất bất định và phi tuyến của quá trình nhiệt NMNĐ thể hiện rõ rệt. Kết quả của đề tài là nền tảng lý thuyết để xây dựng hệ điều khiển thích nghi. Ý nghĩa thực tiễn:  Phương pháp mô hình hóa và chỉnh định hệ thống được đề xuất có tiềm năng sử dụng tốt cho NMNĐ. Thực tế trong luận án đã được sử dụng hiệu quả cho số liệu từ NMNĐ và mô hình thí nghiệm.  Đơn giản hóa và giảm chi phí cho công tác chỉnh định hệ thống điều khiển trong Nhà máy nhiệt điện. 3
5. Đóng góp mới của đề tài nghiên cứu Luận án giải quyết bài toán chỉnh bộ điều khiển PID cho quá trình nhiệt điện khi phụ tải biến đổi làm tính chất bất định, phi tuyến của đối tượng thể hiện rõ rệt, bằng cách sử dụng mô hình bất định và lý thuyết bộ điều khiển bền vững [88]. Luận án lần đầu tiên xây dựng hoàn chỉnh hệ thống phương pháp nhận dạng và chỉnh định bộ điều khiển cho hệ thống điều khiển quá trình nhiệt hệ SISO cấu trúc hai tầng từ nền tảng lý thuyết này. Kết quả đạt được của luận án bao gồm: 1) Xây dựng phương pháp số sử dụng thuật toán tối ưu hóa vượt khe để nhận dạng đối tượng điều khiển quá trình nhiệt điện trong vòng hở và vòng kín. 2) Xây dựng phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID cho quá trình nhiệt điện cấu trúc SISO hai tầng trong chế độ khởi động và chế độ đang làm việc, cho phép lựa chọn trước “chỉ số bền vững” của hệ thống với khoảng lựa chọn tối ưu là [0,132÷2,318]. Phương pháp xây dựng phù hợp với cấu hình hệ thống điều khiển đang được sử dụng thực tế trong NMNĐ, có khả năng ứng dụng cao. Bộ điều khiển sẽ có khả năng thích nghi trong điều kiện biến thiên rộng của phụ tải và đặc tính đối tượng, làm việc ổn định lâu dài theo vòng đời vận hành của NMNĐ. 6. Cấu trúc của luận án Luận án được cấu trúc thành năm chương, bao gồm: Chương 1: Tổng quan về chỉnh định hệ thống điều khiển quá trình nhiệt điện Chương 2: Phương pháp nhận dạng quá trình nhiệt điện Chương 3: Phương pháp chỉnh định bộ điều khiển quá trình nhiệt điện Chương 4: Thực nghiệm kiểm chứng Sau đó là phần kết luận nêu các đóng ghóp mới của luận án và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo. Tiếp đến là phần tài liệu tham khảo, các công trình khoa học đã công bố liên quan đến luận án và phụ lục. 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHỈNH ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NHIỆT ĐIỆN 1.1. Tổng quan về công nghệ nhiệt điện Nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) là một dây chuyền công nghệ biến đổi nhiệt năng khi đốt các nhiên liệu hữu cơ (than, dầu, khí…) thành điện năng [11]. Hiện trên thế giới NMNĐ đốt than chiếm khoảng 40%, NMNĐ khí khoảng 20% tổng sản lượng. Tại Việt nam, riêng NMNĐ đốt than là khoảng 30%, đến 2030 sẽ là trên 50% tổng sản lượng điện [22]. Nguyên lý làm việc cơ bản của NMNĐ như sau: Năng lượng được tàng trữ dưới dạng liên kết hóa học của nhiên liệu hóa thạch được đưa vào lò hơi để biến thành cơ năng của hơi, năng lượng hơi được sinh công quay tuabin. Rôto máy phát được nối trục với tuabin, stato được cấp kích từ và máy phát sẽ phát ra năng lượng điện. 1.1.1. Nguyên lý làm việc cơ bản của NMNĐ đốt than Từ nguyên lý cơ bản nêu trên thì NMNĐ đốt than phải có các thiết bị chính là Lò hơi/Tuabin/Máy phát (Boiler/Turbine/Generator) thường được gọi là khối tổ máy (unit). Ngoài ra còn có hệ thống phụ trợ khác. Hình 1.1. Cấu hình điển hình một tổ máy NMNĐ [92] 5
Sơ đồ nhiệt nguyên lý (mặt cắt đứng) một tổ máy nhiệt điện được thể hiện tại hình 1.1 [92], và hình 1.2 thể hiện sơ đồ nhiệt nguyên lý của tổ máy gồm một lò hơi, một tuabin/máy phát, loại lò hơi đốt than có bao hơi (drum). Nguyên lý làm việc cơ bản của hệ thống như sau: Hình 1.2. Sơ đồ nhiệt nguyên lý một tổ máy NMNĐ Nhiên liệu than (coal fuel) từ phễu than (coal bunker) được cấp tới các vòi đốt (burner) trên vách lò hơi (waterwall). Khi các vòi đốt làm việc, nước trong các ống ở vách lò hơi sẽ hóa hơi thành hơi bão hòa (statured steam), hơi này sẽ được dẫn vào bao hơi của lò hơi. Vòng tuần hoàn nước hơi này có thể là tuần hoàn tự nhiên hoặc cưỡng bức (dùng bơm). Từ bao hơi, hơi bão hòa sẽ đi qua các dàn ống quá nhiệt (superheater). Hơi đi trong ống sẽ được gia nhiệt bằng khói thải (flue gas) được hút từ buồng đốt (furnance). Hơi quá nhiệt sẽ được đưa sang tuabin cao áp (high pressure cylinder-HPC), hơi quá nhiệt khi tới tuabin cao áp còn được gọi là hơi mới (live steam). Trước tuabin cao áp sẽ có các van điều khiển cấp hơi (throttle valve-TV) để điều chỉnh dòng hơi cấp vào tuabin cao áp, ngoài ra còn có van chặn (stop valve). Hơi thoát từ tuabin cao áp lại được đưa về hệ thống tái nhiệt (reheater) của lò hơi để gia nhiệt, sau đó dẫn về tuabin trung áp (intermediate pressure cylinder-IPC). Hơi sau khi ra khỏi tuabin trung áp được dẫn về tuabin hạ áp (low pressure cylinder-LPC) qua ống nối trực tiếp (crossover) giữa hai thân tuabin này. Hơi thoát từ tuabin hạ áp sẽ được ngưng tại bình ngưng (condenser) bằng nước làm mát (cooling water) hoặc tháp làm mát (cooling tower). Không khí (combustion air) được cấp vào lò hơi từ quạt gió (force draft fan- FDF) được thổi các bộ sấy không khí (air heater) để gia nhiệt rồi đưa vào buồng đốt để đốt cháy nhiên liệu. Khói từ buồng đốt được quạt khói (induced draft fan-IDF) hút đi qua các bộ quá nhiệt, tái nhiệt, bộ hâm, bộ sấy không khí, bộ khử bụi 6