Tài liệu Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển turbine hơi trong dự án tận dụng nhiệt tại nhà máy xi măng sông gianh

2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG HOÀNG TIẾN PHƯỢNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TURBINE HƠI TRONG DỰ ÁN TẬN DỤNG NHIỆT DƯ TẠI NHÀ MÁY XI MĂNG SÔNG GIANH Chuyên ngành: SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG Mã số: 60.52.60 Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. TRẦN XUÂN TÙY Phản biện 1: PGS.TS. Phạm Đăng Phước Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Văn Yến Luận văn ñã ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 05 tháng 12 năm 2011. TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. Đà Nẵng - Năm 2011 -1- -2- 3 4 MỞ ĐẦU phát…Đề tài “Nghiên cứu thiết kế mô hình ñiều khiển turbine hơi 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Việt Nam hiện nay ñang là nước ñứng ñầu Asian về sản xuất trong dự án tận dụng nhiệt dư tại nhà máy xi măng Sông Gianh” là bước nghiên cứu ban ñầu ñể lập dự án cũng như nắm bắt sơ ñồ công xi măng với sản lượng sản xuất trong năm 2010 ñạt 63 triệu tấn và nghệ, làm chủ hệ thống khi ñầu tư vào sản xuất. hơn 60 dây chuyền sản xuất xi măng lò khô ñã ñược xây dựng. Tuy 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU nhiên, ngành công nghiệp xi măng Việt Nam nói chung và công ty xi Nghiên cứu lý luận tổng quan, phương pháp thiết kế, xây măng COSEVCO Sông Gianh nói riêng hiện ñang phải ñối mặt với dựng bộ ñiều tốc turbine hơi trên cơ sở ñó ứng dụng cho dự án thu những thách thức lớn như giá ñiện, than dầu tăng liên tục làm ảnh hồi nhiệt khí thải ñể phát ñiện phục vụ cho nhà máy xi măng hưởng tới hiệu quả sản xuất kinh doanh công ty. Bên cạnh ñó, tình COSEVCO Sông Gianh. trạng thiếu ñiện xẩy ra trong một thời gian dài cũng ñã làm ảnh 3. PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU hưởng ñến sản lượng sản xuất và tiêu thụ của nhà máy. Đứng trước những thách thức lớn ñó, việc tận dụng nhiệt dư thừa trong lò xi - Nghiên cứu nguyên lý thu hồi nhiệt tối ưu trong nhà máy sản xuất xi măng. măng ñể phát ñiện là một việc làm thiết thực và có ý nghĩa rất lớn ñối - Nghiên cứu thiết kế hệ thống ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi. với nhà máy xi mang COSEVCO Sông Ganh, nhất là trong bối cảnh - Xây dựng sơ ñồ công nghệ của hệ thống. hiện nay khi mà ngành ñiện trong nước chỉ ñảm bảo ñược 80% năng - Tính toán, thiết lập các thông số hệ thống ñể ñiều khiển tốc lượng ñiện cho ngành xi măng từ nay ñến năm 2020, còn lại 20% ñộ turbine hơi. ngành xi măng phải tự lo. Do ñó, việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế, ñầu tư xây dựng dự án tận dụng nhiệt dư thừa của lò xi măng ñể phát - Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên máy tính. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ñiện là việc làm bắt buộc ñối với nhà máy xi măng COSEVCO Sông Gianh. Các tính toán ñã chỉ ra, khi lắp ñặt hệ thống này trong nhà - Tính toán lý thuyết và mô phỏng hệ thống trên máy tính. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN máy xi măng có thể tiết kiệm 20% chi phí ñiện năng hàng năm và -Thiết lập mô hình ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi ứng dụng giảm ñáng kể khí CO2 thải ra môi trường ngoài. Hiện tại các nhà máy cho dự án thu hồi nhiệt khí thải ñể phát ñiện tại nhà máy xi măng xi măng trên thế giới ñã ñưa vào sử dụng hệ thống sử dụng nhiệt dư COSEVCO Sông Gianh. ñể phát ñiện, trong nước ñã có một số nhà máy ñưa vào khai thác 6. DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC & KHẢ NĂNG ỨNG như: Nhà máy xi măng Hà Tiên 2, nhà máy xi măng Công DỤNG Thanh…Turbine hơi là thiết bị quan trọng trong dự án thu hồi nhiệt - Xây dựng mô hình ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi khí thải, việc ñiều chỉnh ổn ñịnh tốc ñộ turbine hơi quyết ñịnh các chỉ - Tối ưu hóa hệ thống ñiều khiển turbine hơi tiêu kỹ thuật của hệ thống phát ñiện, khả năng ổn ñịnh tần số của máy -3- -4- 5 6 - Mô phỏng hệ thống thu hồi nhiệt trên máy tính phục vụ chô CHƯƠNG 1 công tác ñào tạo trước khi ñưa dây chuyền vào sử dụng. 7. CẤU TRÚC LUẬN VĂN TỔNG QUAN 1.1. CÁC NGUỒN NHIỆT DƯ TẠI CÁC NHÀ MÁY SẢN Ngoài phần mở ñầu, kết luận và khả năng ứng dụng của ñề XUẤT XI MĂNG tài, danh mục tài liệu tham khảo và các phụ lục, nội dung chính của H Ö th èn g va n ® iÒ u ch Øn h luận văn ñược chia thành 4 chương như sau: Chương 1: Tổng quan T h ¸ p tra o ® æ i n hiÖ t Giới thiệu các nguồn nhiệt dư thải ra môi trường của các nhà máy xi măng hiện nay. Dựa vào những ñặc tính công nghệ ñể xây K h Ý th ¶ i T = 3 0 0-3 5 0 C dựng lên mô hình thu hồi nhiệt làm máy phát ñiện phục vụ cho nguồn Q ô a t ID ñiện sẽ thiếu hụt của nhà máy trong tương lai. Chương 2: Các thiết bị chính trong dây chuyền thu hồi nhiệt dư o K h Ý th ¶i T = 80 -1 0 0 C L ß nu n g Giới thiệu một số thiết bị chính trong dây chuyền. Nguyên lý làm G iµ n lµ m l¹ nh việc của các thiết bị và chu trình nhiệt hóa hơi. Lä c b ô i Chương 3: Thiết kế mô hình ñiều khiển tốc ñộ của turbine hơi Trong phần này giới thiệu về mô hình toán học ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi, xây dựng mô hình ñiều khiển tốc ñộ turbine bằng Hình 1.1. Sơ ñồ khí thải ra môi trường của nhà máy sản xuất xi măng thuật toán PID cổ ñiển từ ñó chỉnh ñịnh các tham số của bộ ñiều 1.1.1. Nhiệt dư thải ra môi trường của nhà máy xi măng Sông khiển PID bằng bộ ñiều khiển fuzzy mờ. Gianh Chương 4: Mô phỏng hệ thống bằng WINCC phục vụ cho công tác 1.1.2. Nhiệt dư thải ra môi trường sau tháp trao ñổi nhiệt ñào tạo 1.1.3. Nhiệt dư thải ra môi trường sau giàn làm lạnh clanhke Mô phỏng quá trình thu hồi nhiệt bằng wincc, quá trình thiết kế và giới thiệu chức năng của các thiết bị trên mô hình ñiều khiển 1.2. VẤN ĐỀ THIẾU HỤT NĂNG LƯỢNG, Ô NHIỂM MÔI TRƯỜNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG XỬ LÝ 1.3. CÔNG NGHỆ PHÁT ĐIỆN TẬN DỤNG NHIỆT DƯ NHIỆT ĐỘ THẤP THẾ HỆ THỨ NHẤT CHO LÒ QUAY XI MĂNG TRÊN THẾ GIỚI 1.3.1. Định nghĩa và ñặc ñiểm cơ bản 1.3.1.1. Định nghĩa -5- -6- 7 8 1.3.1.2. Đặc ñiểm cơ bản HÖ thèng van ®iÒu chØnh o KhÝ th¶i T=300-350 C o H¬i nuíc T=330-435 C 1.3.2. Các ñiểm trọng yếu của công nghệ và cấu trúc hệ thống Tua bin h¬i nuíc nhiệt ñộng o T=190-220 C 1.3.2.2. Cấu trúc hệ thống nhiệt ñộng Qôat ID Läc bôi KhÝ th¶i T=300-350 C Lß nung o H¬i nuíc T=330-435 C HÖ thèng van ®iÒu chØnh o ThiÕt bÞ ngu ng tô Nåi h¬i SP 1.3.2.1. Các ñiểm trọng yếu của công nghệ M¸y ph¸t ®iÖn Tua bin h¬i nuíc HÖ thèng khö Oxi cÊp nuíc cho nåi h¬i o T=500-550 C Giµn lµm l¹nh Nåi h¬i AQC M¸y ph¸t ®iÖn ThiÕt bÞ ngung tô Nåi h¬i SP Läc bôi o T=80-100 C o T=190-220 C Qôat ID Läc bôi Hình 1.5. Mô hình tận dụng nhiệt dư bù hơi ña áp 1.3.3. Các ñặc trưng của công nghệ HÖ thèng khö Oxi cÊp nuíc cho nåi h¬i o Lß nung T=500-550 C Giµn lµm l¹nh 1.4. CÔNG NGHỆ PHÁT ĐIỆN TẬN DỤNG NHIỆT DƯ Nåi h¬i AQC NHIỆT ĐỘ THẤP CHO LÒ QUAY XI MĂNG THẾ HỆ THỨ HAI TRÊN THẾ GIỚI o Läc bôi T=80-100 C Hình 1.3. Mô hình thu hồi nhiệt kiểu không bù hơi ñơn áp o o KhÝ th¶i T=300-350 C H¬i nuíc T=330-435 C HÖ thèng van ®iÒu chØnh Tua bin h¬i nuíc M¸y ph¸t ®iÖn ThiÕt bÞ ngung tô Nåi h¬i SP o T=190-220 C H¬i nuíc Qôat ID Läc bôi HÖ thèng khö Oxi cÊp nuíc cho nåi h¬i o Lß nung T=500-550 C Giµn lµm l¹nh Nåi h¬i AQC Läc bôi 1.4.1. Định nghĩa và ñặc trưng 1.4.1.1. Định nghĩa Là công nghệ chuyển ñổi nhiệt dư sinh ra từ khí thải từ hệ thống tiền trao ñổi nhiệt và phần làm mát clinker của lò quay xi măng kiểu mới (ở ñây gọi là lò quay ngắn) thành ñiện, tua bin sử dụng hơi áp suất 1,27 - 3,43 MPa, nhiệt ñộ 340 - 4350C, việc phát ñiện không làm ảnh hưởng tới công suất, chất lượng clinker, không hạ thấp hiệu suất hoạt ñộng của lò, không phải thay ñổi thiết bị và quá trình công nghệ sản xuất xi măng, không tăng suất tiêu hao ñiện và nhiệt của sản xuất clinker. 1.4.1.2. Đặc trưng Công nghệ phát ñiện tận dụng nhiệt dư nhiệt ñộ thấp thế hệ thứ hai cho lò quay xi măng có hai hoặc nhiều ñặc ñiểm cơ bản ngoài o T=80-100 C Hình 1.4. Mô hình kiểu bù hơi sử dụng hơi thứ cấp hồi lưu -7- -8- 9 10 ñịnh nghĩa trên như sau : - Tại sàn làm nguội có hai ñiểm rút khí thải nhiệt dư và kết quả là công suất phát lớn hơn. - Một nồi hơi quá nhiệt là ñược ñặt gần nồi hơi AQC, với giải pháp này nhiệt ñộ của hơi sơ cấp sẽ ñược ñiều chỉnh nhưng không bị ảnh hưởng bởi nhiệt ñộ khí ra từ lò quay. - Một nồi hơi quá nhiệt ñộc lập sẽ ñược ñặt trong C1 (Tầng cuối cùng của hệ thống tiền trao ñổi nhiệt) ñể tăng thêm hiệu suất vận hành, tính ổn ñịnh của nhà máy ñiện - Hệ thống nước cấp cho nồi hơi AQC và SP là song song không ảnh hưởng lẫn nhau và hoàn toàn ñộc lập. - Hệ thống khử ôxy của nước cấp nồi hơi sử dụng nhiệt dư nhiệt ñộ thấp dưới 1450C, không cần tiêu hao hóa chất và năng lượng ñiện ngoài. `- Có một bộ ñiều chỉnh lắp tại ñầu ra của nồi hơi SP ñể ñiều chỉnh nhiệt ñộ khí ñầu ra ñể thỏa mãn các yêu cầu sấy khác nhau trong các ñiều kiện ñộ ẩm môi trường khác nhau tại các mùa khác nhau. - Khí làm mát từ sàn làm nguội sẽ ñược tuần hoàn. CHƯƠNG 2 CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG DÂY CHUYỀN THU HỒI NHIỆT DƯ 2.1. NỒI HƠI 2.1.1. Khái niệm cơ bản 2.1.2. Các loại nồi hơi 2.2. TURBINE HƠI 2.2.1. Lịch sử phát triển 2.2.2. Khái niệm 2.2.3. Phân loại 2.2.4. Cách nâng cao hiệu suất của chu trình 2.3. DÒNG CHẢY TRONG CÁC LOẠI ỐNG 2.3.1. Dòng chảy trong ống phun lý tưởng 2.3.2. Ống tăng tốc 2.4. NHẬN XÉT Trong chương này giới thiệu các thiết bị chính trong dây chuyền hệ thống tận dụng nhiệt dư của nhà máy xi măng. Một số vấn 1.4.2. Các ñiểm trọng yếu của công nghệ ñề về nhiệt ñộng học chất khí cũng như các loại ống phun trong dây 1.4.3. Đặc trưng của công nghệ chuyền. 1.5. NHẬN XÉT Trong chương này, giới thiệu các nguồn nhiệt thải ra môi trường của các nhà máy xi măng trên thế giới nói chung và xi măng Sông Gianh nói riêng. Vấn ñề thiếu hụt năng lượng và ô nhiểm môi trường mà các nhà máy ñang gặp phải. Giới thiệu sự phát triển của hệ thống thu hồi nhiệt thế hệ thứ nhất và thế hệ thứ hai cho lò quay xi măng, các hệ thống thu hồi nhiệt trên thế giới ñã ñược áp dụng. Phân tích ưu nhược ñiểm của từng mô hình thu hồi nhiệt và các ñiểm trọng yếu của công nghệ thu hồi nhiệt dư nhiệt ñộ thấp lò quay xi măng. -9- - 10 - 11 12 CHƯƠNG 3 Ntt là tổn thất công suất trên các ổ trục và tổn thất nhiệt trong máy THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ phát. Từ (3.2) ta thấy: Phụ tải trên các cực của máy phát ñiện Nd CỦA TURBINE HƠI 3.1. KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU CHỈNH TURBINE HƠI phải luôn luôn cân bằng với công Nhd trên trục turbine. Nghĩa là sự Turbine hơi trong nhiệt ñiện dùng ñể kéo máy phát ñiện ñể thay ñổi phụ tải trên các cực của máy phát phải phù hợp với sự thay sản xuất ñiện năng. Chất lượng dòng ñiện càng cao khi tần số dòng ñổi công suất trên trục turbine. Mỗi giá trị phụ tải xác ñịnh trên cực ñiện càng ổn ñịnh, nghĩa là tốc ñộ quay của máy phát càng ổn ñịnh. của máy phát tương ứng với một giá trị mô men quay trên trục của Vì vậy, turbine - máy phát phải làm việc với số vòng quay không ñổi turbine, nghĩa là tương ứng với một lưu lương hơi qua turbine. Khi ñể ñảm bảo cho tần số của dòng ñiện luôn luôn ổn ñịnh. phụ tải thay ñổi sẽ tạo ra sự mất cân bằng giữa mô men cản và mô Mômen quay của roto turbine do công của dòng hơi sinh ra, còn mômen cản của máy phát do phụ tải ñiện sinh ra trên các cực men quay, do ñó dẫn ñến số vòng quay của rô to thay ñổi. Khi ñang ở trạng thái cân bằng, nếu phụ tải Nd của máy phát thay ñổi trong khi mô men quay của turbine chưa thay ñổi (tức Nhd của máy phát. Công suất của turbine ñược tính theo công thức: Ni = GHi , [kw] chưa thay ñổi) sẽ tạo ra sự mất cân bằng giữa công suất của turbine (3.1) Hoặc Ni = GH0ηtd và công suất của máy phát, theo (3.2) thì tốc ñộ Ω turbine - máy phát sẽ thay ñổi. Ở ñây: H0 là nhiệt dáng lý thuyết của turbine (không kể ñến Rõ ràng khi Nd tăng thì số vòng quay Ω giảm ñi. Để duy trì tổn thất) (kJ/kg); Hi là nhiệt dáng thực tế của turbine; ηtd là hiệu suất Ω = const, cần phải tăng lượng hơi vào turbine ñể tăng công suất Nhd trong tương ñối của turbine. của turbine lên tương ứng. Tóm lại bất kỳ một sự thay ñổi nào của Từ (3.1) ta thấy công suất turbine tỉ lệ thuận với lưu lượng phụ tải ñiện cũng sẽ kéo theo sự thay ñổi số vòng quay của turbine hơi và nhiệt dáng. Sự cân bằng giữa công suất hiệu dụng trên khớp (tốc ñộ quay của rô to turbine - máy phát). Số vòng quay sẽ thay ñổi trục turbine với phụ tải ñiện ñược biểu diển bằng phương trình: ñến chừng nào mà cơ cấu phân phối hơi chưa làm thay ñổi lưu lượng Nhd = Nd + Ntt + (Jt + Jmf) Ω dΩ dτ (3.2) Trong ñó: Jt, Jmf là mô men quán tính của rô to turbine và hơi vào turbine, nghĩa là chưa thiết lập ñược sự cân bằng mới giữa mô men cản của phụ tải ñiện và mô men quay, tức là giữa công suất của turbine và công suất của máy phát. Việc phục hồi lại sự cân bằng của phương trình (3.2) với bất máy phát, Nhd là công suất hiệu dụng trên khớp trục turbine, kỳ sự thay ñổi nào của phụ tải Nd là nhiệm vụ của bộ ñiều chỉnh tốc Nd là công suất ñiện trên các cực của máy phát (phụ thuộc ñộ (tức là ñiều chỉnh số vòng quay). Bộ ñiều chỉnh tốc ñộ ñược nối vào phụ tải tiêu thụ bên ngoài) - 11 - - 12 - 13 14 liên ñộng với cơ cấu tự ñộng ñiều chỉnh van phân phối hơi của turbine ñể ñiều chỉnh lượng hơi vào turbine phù hợp với phụ tải ñiện. Pist«ng Van tiÕt luu x Khi phụ tải ñiện thay ñổi, cần phải thay ñổi lưu lượng hơi A vào turbine ñể thay ñổi công suất turbine cho phù hợp với sự thay ñổi P phụ tải ñiện. Qt m Tèc kÕ Turbine h¬i Khíp nèi Mmp (Kc) Q M¸y ph¸t ®iÖn Qh Lưu lượng hơi ñược thay ñổi nhờ hệ thống phân phối hơi và n hệ thống ñiều chỉnh của turbine. U, I 3.2. MÔ HÌNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC TURBINE HƠI Van servo Tốc ñộ hay công suất của turbine hơi ñược ñiều khiển bởi lưu PS P i lượng hơi ñi vào turbine thông qua việc ñiều khiển van ñiện - thuỷ lực. Hệ thống ñiều tốc là một vòng lặp kín, bất cứ sự sai lệch tốc ñộ, KA _ F1 +u E1 + I E2 - F2 + e + Bé ®iÒu khiÓn PID sai lệch công suất và sai lệch áp suất ñều ñược ñiều khiển bởi van + D ñiều khiển lưu lượng hơi. Trong hình 3.1 là sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển tốc ñộ của turbine Hình 3.1. Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển tốc ñộ của turbine – máy phát. – máy phát. Trong ñó: m – khối lượng cánh van ñiều khiển lưu lượng hơi; A – diện tích của piston; P – áp suất buồng trong buồng của xylanh; PS – áp suất vào của van; Q – lưu lượng vào của xylanh; KA – hệ số khuếch ñại của bộ khuếch ñại; KC – hệ số khuếch ñại của khâu phản hồi cảm biến vị trí; I – dòng ñiện ñiều khiển van servo; e – ñiện e + - E2 F2 PI D u E1 KA i Van servo +xylanh x Van Qt khí Turbine -máy phát - F1 Cảm biến vị trí áp ñiều khiển; x – hành trình của cánh van có khối lượng m; n – số vòng quay của trục turbine; Ω - vận tốc góc của trục turbine; Mmp – momen trên trục của máy phát ñiện; Qt – lưu lượng hơi vào turbine; Tốc kế KΩ - Hệ số khuếch ñại của khâu phản hồi tốc ñộ turbine. Hình 3.2. Sơ ñồ khối chức năng của hệ thống ñiều khiển tốc ñộ turbine Từ sơ ñồ khối chức năng hình 3.2. ta thiết lập ñược sơ ñồ khối như hình 3.3. - 13 - - 14 - Ω 15 16 x P ist« ng E2(s) e(s) + - F2(s) WPID(s) u(s) G1(s) x(s) Qt(s) KQ Ω(s) G2(s) A C ¸ nh van m P Q (K c) KΩ F1 _ i e(s) + - E2(s) WPID(s) u(s) W(s) KA Ω(s) E1 +u V an servo PS F2(s) u+ E1 KΩ - Hình 3.3. Sơ ñồ khối biến ñổi hàm truyền Bộ khếch ñại KA i Van servo KV Q Cụm pittông Và van hơi x Trong ñó Ω(s)/e(s) : WPID((s) – Hàm truyền của bộ ñiều khiển PID; G1(s) – hàm truyền của cụm van servo – xylanh ñiều khiển van hơi; Cảm biến vị trí G2(s) – hàm truyền của cụm turbine – máy phát; KQ – hệ số quan hệ lưu lượng khí và hành trình ñóng mở van hơi. W(s) = G1(s).KQ.G2(s) (3.3) 3.2.1. Cụm van servo - xylanh ñiều khiển van hơi Mô hình nghiên cứu ñược thiết lập như hình 3.4. ñây là một hệ thống tự ñộng thủy lực chuyển ñộng tịnh tiến ñiều khiển bằng cụm servo – xylanh Hình 3.4. Sơ ñồ mạch ñiều khiển cụm van servo – xylanh ñiều khiển van hơi Ta có các phương trình (3.4) và (3.5) Q = KV .i − K 0 . p = A. A. p = m dx dt d 2x ; E1.KA=I dt 2 (3.4) (3.5) Phương trình Laplace của (3.4) và (3.5) sẽ là : Q(s) = KV.i(s)-K0.p(s) = A.s.x(s) A.p(s) = m.s2.x(s) E1(s).KA = i(s) - 15 - - 16 - (3.6) 17 E1(s) u(s) + 18 x(s) A.K A KV S ( A2 + K 0 .m.S ) - Trong ñó : Dt – thể tích của khối turbine Dt0 – thể tích trên 1 rad, Dt 0 = Dt 2π Jt – giá trị mô men quán tính khối lượng của trục rôto của turbine và máy phát KC ft – hệ số ma sát trên trục của turbine và máy phát. Kmp – hệ số tỷ lệ mô men của máy phát. Hình 3.6. Sơ ñồ khối của cụm van servo – xylanh ñiều khiển van hơi Ω = 2π.n R – hệ số tổn thất hơi A.K A .KV x( s ) G1 ( s ) = = 2 u ( s ) K 0 .m.s + A2 .s + A.K A .KV .KC C= (3.7) B – Mô ñun ñàn hồi của hơi 3.2.2. Cụm turbine – máy phát Nếu chuyển qua laplace thì các phương trình (3.11) và (3.12) Mô hình nghiên cứu ñược thiết lập như hình 3.7. thành các phương trình (3.13) và (3.14) như sau : V an tiÕt luu x m Ph Qt Dt 0 - hệ số ñàn hồi của hơi trong turbine B Turbine h¬i f Qh K híp nèi (K c) M ¸y ph¸t ®iÖn Mmp Qh(s) + Qh(s) = Dt0.Ω(s)+(R+C.s).ph(s) (3.13) Dt.ph(s) = (Jt.S+ft).Ω(s)+Mmp(s) (3.14) Dt ( R + C.S )( J t .S + f )t n - Ω(s) U, I 0 Dt Hình 3.7. Sơ ñồ nguyên lý của cụm turbine – máy phát dph dt Phương trình mô men : ph .Dt = M ms + M qt + M mp Phươngtrìnhlưulượng: Qh = Ω.Dt 0 + R. ph + C = f t .Ω + J t - 17 - dΩ + I .K mp dt Hình 3.8. Sơ ñồ khối của cụm turbine – máy phát (3.11) Từ sơ ñồ khối hình 3.8. ta có hàm truyền (3.15) cụm turbine (3.12) – máy phát G2 (s) = Dt Ω(s) = Qh (s) (R + C.s)(Jt .s + ft ) + Dt .Dt 0 - 18 - (3.15) 19 20 Theo K. Gowrishankar, Vasanth Elancheralathan Vậy ta có hàm truyền W(s) của bộ ñiều tốc turbine là: W(s)=G1(s).KQ.G2(s)= = Rajiv Gandhi College Of Engg. & tech., Puducherry, India K x Kt KQ Với: KW = 1; α3=0; α2=1; α1=5 thì (3.20) sẽ là: (τ 1s 2 + τ 2 s + 1)(T1 s 2 + T2 s + 1) Ks (3.17) 4 3 2 τ1Ts 1 + (τ1T2 +τ2T1)s + (τ2T2 + T1)s + (τ2 +T2 )s +1 Trong ñó : Ks = KxKtKQ 3.2.3. Xấp xỉ hàm truyền của quá trình ñiều tốc W( s ) = 1 s ( s + 1)( s + 5) (3.21) 3.3.THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID Ta thấy cụm turbine – máy phát có khối lương rất lớn so với 3.3.1. Giới thiệu cụm servo – xylanh ñiều khiển van hơi và nó ảnh hưởng rất lớn tới bộ 3.3.2. Tối ưu hoá bộ ñiều khiển PID ñiều khiển tốc ñộ turbine. 3.3.2.1. Phương pháp thứ nhất Do ñó ta có thể bỏ qua khối lượng m của cánh van ñiều khiển 3.3.2.2. Phương pháp thứ hai Bộ ñiều khiển PID ñiều chỉnh theo phương pháp thứ hai của lưu lượng hơi vào turbine. Từ các phương trình (3.7) ta có các Ziegler-Nichols cho quy tắc. phương trình như (3.18) G1 ( s ) = A.K A .KV K x( s) = 2 = G1 u ( s ) A .s + A.K A .KV .K C s + α 3 WPID(s)=Kp(1+1/Ti.s+Td.s) (3.18) =0,6.Kp(1+1/0,5.Pcr.s+0,125.Pcr.s) =0,075.KcrPcr(s+4/Pcr)2/s K .K K .K .K Với: K G1 = A V ; α 3 = A V C A A Ta có sơ ñồ khối bộ ñiều khiển PID cho tốc ñộ turbine như Từ phương trình (3.15) ta phân tích như phương trình (3.19) G2 ( s ) = Kt Kt = T1s + T2 s + 1 ( s + α1 )( s + α 2 ) Với: T1 = 2 hình 3.15. E2(s) e(s) + 1 s ( s + 1)( s + 5) WPID(s) (3.19) G (s) - 1 1 ; T2 = (α + α ) α1.α 2 α1.α 2 1 2 Ω(s) KΩ Thay (3.18) và (3.19) vào (3.3) ta có: Hình 3.15. Bộ ñiều khiển PID ñiều khiển tốc ñộ turbine Khi cho Ti = ∞ và Td = 0, KΩ=1, ta nhận ñược hàm truyền W(s)=G1(s)KQG2(s)= K G1 .K t .K Q ( s + α 3 )( s + α1 )( s + α 2 ) = KW ( s + α 3 )( s + α 2 )( s + α1 ) - 19 - (3.20) thu gọn như sau : - 20 - 21 22 Kp Ω( s ) = e( s ) s ( s + 1)( s + 5) + K p 3.4.1. Chỉnh ñịnh mờ tham số PID cho bộ ñiều tốc Bộ chỉnh ñịnh mờ tham số PID Bảng 3.3 Bảng tiêu chuẩn ổn ñịnh Routh s 3 1 5 s 2 6 Kp (30-Kp)/6 0 Kp 0 s1 s 0 Từ ñó ta có hàm truyền của bộ ñiều khiển PID là : Bộ FUZZY de(t)/dt KP KI KD Servo Motor Bộ PID + Turbine - WPID(s)=Kp(1+1/Ti.s+Td.s)= = 18(1 + 1 6.3223( s + 1.4235)2 + 0.35124s ) = 1.405s s Hình 3.21. Sơ ñồ ñiều khiển sử dụng PID mờ ñiều khiển tốc ñộ turbine Thiết kế khâu FUZZY ñược thể hiện trong hình 3.22. 3.3.3. Phân tích thiết kế bộ ñiều khiển theo phương pháp cổ ñiển 3.4. CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ PID CHO BỘ ĐIỀU TỐC TURBINE HƠI Hầu hết các bộ ñiều khiển tốc ñộ turbine ñều sử dụng bộ ñiều khiển PID, các bộ ñiều khiển này chưa tối ưu hoặc ít bền vững ñối với sự thay ñổi các tham số trong quá trình vận hành. Tốc ñộ của turbine hơi bị ảnh hưởng bởi quá nhiều thông số, và các thông số này thay ñổi liên tục trong quá trình vận hành (áp suất hơi, lưu lượng hơi, tải của lưới, nồi hơi,...) nên sử dụng bộ ñiều khiển mờ là một trong những phương pháp so sánh ñể lựa chọn phương pháp ñiều khiển có chất lượng cao và ñáp ứng với sự thay ñổi các tham số trong quá trình vận hành. Hình 3.22. Khối thiết kế khâu FUZZY 3.4.2. Kết quả mô phỏng Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink, thực hiện mô phỏng quá trình với bộ ñiều khiển PID kinh ñiển và bộ ñiều khiển mờ PID Hình 3.22. So sánh các ñáp ứng thu ñược như ở hình 3.27. - 21 - - 22 - 23 24 CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG WIN CC PHỤC VỤ CHO CÔNG TÁC ĐÀO TẠO 4.1. GIỚI THIỆU 4.1.1. Soạn thảo projec WINCC 4.1.2. Chọn PLC hoặc Drivers từ Tag Management 4.2.3. Hiệu chỉnh hình ảnh qúa trình (Process Picture) 4.2.3.1. Tạo hình ảnh quá trình 4.2.3.2 Cửa sổ Graphic Desiger 4.2.3.3. Tạo nút nhấn Hình 3.27. Mô hình hóa bộ ñiều khiển tốc ñộ trong MatlabSimulink 4.2.3.4. Thiết lập thuộc tính chạy thực. 4.2. GIỚI THIỆU GIAO DIỆN CỦA HỆ THỐNG THU HỒI NHIỆT DƯ Mô hình tổng quát hệ thống thu hồi nhiệt ñược áp dụng trong dự án của nhà máy ñược thể hiện như hình 4.1. Hình 3.28. Đáp ứng ñầu ra với ñầu vào là hàm nấc thang ñơn vị 3.5. NHẬN XÉT Đã xây dựng ñược mô hình ñiều tốc turbine hơi, viết hàm truyền cho bộ ñiều tốc. So sánh bộ ñiều khiển PID cổ ñiển so với ñiều khiển mờ Hình 4.1. Mô phỏng tổng quan hệ thống thu hồi nhiệt dư làm máy phát ñiện ta thấy rằng ñáp ứng của bộ ñiều khiển PID mờ nhanh hơn bộ ñiều PID khiển kinh ñiển, ñộ vọt lố của bộ ñiều khiển PID mờ cũng tốt hơn. - 23 - - 24 - 25 26 4.3. GIỚITHIỆU CHI TIẾT CÁC MÀN HÌNH GIAO DIỆN 4.3.1. Nồi hơi SP, AQC KẾT LUẬN 1. Kết luận Đã tính toán thiết kế và phân tích sơ ñồ thu hồi nhiệt tối ưu, 4.3.2. Hệ thống WHB Wind 4.3.3. Hệ thống RAC WATER thiết kế mô phỏng sơ ñồ thu hồi nhiệt dư của nhà máy. Xây dựng mô 4.3.4. Hệ thống ST STATE hình ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi cho máy phát ñiện. Trong ñó ñã 4.3.5. Hệ thống ST SYSTEM giải quyết và phân tích một số vắn ñề: 4.3.6. Hệ thống ñiện cao áp 1) Phân tích một số mô hình thu hồi nhiệt dư của nhà máy xi 4.3.7. Hệ thống ñiện hạ áp măng ñể lựa chọ mô hình tối ưu nhất cho nhà máy. 2) Thiết kế mô hình ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi bằng bộ ñiều 4.4. NHẬN XÉT Đã xây dựng bằng wincc mô hình thu hồi nhiệt dư ñể phục vụ khiển PID công tác ñào tạo cán bộ kỹ thuật của nhà máy khi dự án bắt ñầu triển 3) Vẽ ñồ thị ñáp ứng của hệ bằng phần mềm Matlab. khai. Giới thiệu và tìm hiểu nguyên lý làm việc của các mô hình ñã 4) Đưa ra phương án chỉnh ñịnh mờ tham số PID cho hệ thống triển khai thành công ở Việt Nam. ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi. So sánh chất lượng của bộ ñiều khiển PID mờ so với bộ ñiều khiển PID kinh ñiển. 5) Thiết kế mô phỏng bằng WinCC mô hình ñiều khiển và giám sát hệ thống thu hồi nhiệt phục vụ cho công tác ñào tạo các cán bộ kỹ thuật của nhà máy. 2. Khả năng ứng dụng của ñề tài Tính toán thiết kế hệ thống ñiều khiển cho turbine hơi và ứng dụng vào dự án thu hồi nhiệt ñể phát ñiện tại nhà máy măng COSEVCO Sông Gianh. Trên cơ sơ này ứng dụng cho các nhà máy xi măng khác trong nước. 3. Hướng phát triển của ñề tài Từ phương án chỉnh ñịnh mờ tham số PID có thể phát triển hệ thống ñiều khiển mờ chuyên gia cho toàn nhà máy. Đây sẽ là một hướng ñi ñúng ñắn và mới mẻ ở Việt Nam. - 25 - - 26 -