Đồ án: Điều khiển tốc độ tuabin trong nhà máy nhiệt điện

Vì vậy, em chọn đề tài này nhằm nghiên cứu các biện pháp điều khiển tốc độ quay của tuabin để đảm bảo tối ưu sự ổn định tốc độ quay của tuabin trong nhà máy nhiệt điện khi hoạt động... +

PHẦN MỞ ĐẦU ( Giới thiệu ) 

 

Hiện nay, trên thế giới, người ta đã xây dựng được tất cả các nhà máy điện biến đổi các dạng năng lượng thiên nhiên thành điện năng. Tuy nhiên sự hoàn thiện, mức độ hiện đại và giá thành điện năng của các loại nhà máy điện đó rất khác nhau, tùy thuộc vào thời gian nghiên  cứu  phát  triển  loại  hình nhà  máy điện 

đó.  Đối  với những nước đang phát triển như Việt Nam chúng ta, xây dựng chủ yếu là nhà máy nhiệt điện dùng tuabin hơi, tuabin khí hoặc chu trình hỗn hợp. Việc đảm bảo điện áp ra có tần số, giá trị ổn định thì một trong những tác nhân quan trọng nhất  và ảnh hưởng trực tiếp chính là tốc độ quay của tuabin. Vì vậy, 

em chọn đề tài này nhằm nghiên cứu các biện pháp điều khiển tốc độ quay của tuabin để đảm bảo tối ưu sự ổn định tốc độ quay của tuabin trong nhà máy nhiệt điện khi hoạt động. 

dần, công suất của loại tuabin này nhỏ Tuabin này được chế tạo theo nguyên lý       này tức là trong tuabin quá trình bành trương hơi chỉ xảy ra trong dãy cánh tĩnh       được gọi là tuabin xung lực. 

Vào năm 1884 kỹ sư người Anh Chalé Parsons đã chể tạo ra tuabin nhiều tầng

Mỗi tầng gồm một dãy ống phun và một dãy cánh động , trong đò hơi bành trướng       

từ tầng này tới tầng khác Tuabin loại này hơi không chỉ bành trướng trong dãy       cánh động mà còn bành trướng trong dãy cánh tĩnh gọi là tuabin phản lực. 

       Năm 1912 tuabin hướng trục đầu tiên do hai anh em người Thụy Điển chế tạo. Vào thế kỷ XIX nghành chế tạo tuabin phát triển với nhịp độ cao: 1924 người ta       chế tạo ra tuabin ngưng hơi với công suất 200MW và thông số hơi ban đầu 1,1       MPa, 300  oC Năm 1928 sản xuất được tuabin 200MW, 12,8Mpa, 565      oC Vào thập     niên 70­80 cho ra đời loại tuabin sử dụng trong nhà máy điện nguyên tử với công       suất 70MW, 225MW, 500 MW, 1030 MW, với tần số 25 vòng.s­1, 50 vòng.s­1 

Trong nền công nghiệp hóa hiện đại hóa hiện nay nhu cầu sử dụng năng lượng ngày       một quan trọng và không thể thiếu trong cuộc sống cũng như trong quá trình sản       xuất. 

Trong những năm gần đây, các nhà máy nhiệt điện ở nước ta đã và đang được phát       triển một cách nhanh chóng như: nhiệt điện Phả Lại II, Uông Bí, Phú Mỹ… Nước ta       hiện nay các khu công nghiệp đang phát triển mạnh và nhằm phục vụ cho đời sống       

b, Khái niệm : 

    Tuabin hơi nước hay còn gọi là động cơ hơi nước, trong đó thế năng của hơi ban đầu sẽ chuyển hóa thành động năng, sau đó chuyển thành cơ năng làm quay bánh công tác. 

+/Cấu tạo: 

       Hình 1.1: Mặt cắt ngang của tuabin hơi 

 ­ Bộ phận chính: 

Cánh dẫn hướng, làm bằng thép không rỉ, là một kết cấu có hai trụ đỡ Nắp cột áp       

và vòng đai, đáy có vỏ bằng thép ZG230­450 Bộ phân phối có cấu trúc lá trượt       đơn giản, để tiện lắp đặt và đại tu Có các chốt trượt bảo vệ giữa thanh chắn dòng và       thanh chắn dòng tự động. 

­ Bộ phận quay: 

Rôto được lắp đặt trên phần mở rộng của trục bộ phận điều chỉnh với chêm, và côn       rôto. Vỏ rôto làm bằng thép không gỉ, chống xâm thực tốt và có đặc tính mài mòn. 

+/ Theo hướng chuyển động của dòng hơi: 

    ­ Tuabin dọc trục (Axial turbines ). Dòng hơi chuyển gần như song song với trục. 

­ Tuabin hướng kính (Radial turbines) Dòng có hướng vuông góc với trục, có

       

thể là ly tâm hay hướng tâm .  +/ Theo nguyên lý tác dụng của dòng hơi:  ­ Tuabin xung lực (Impulse turbines) Hơi nước chỉ giãn nở để tăng tốc trong ống        

phun hay trong rãnh cánh tĩnh, nhiệt năng của hơi chuyển thành động năng của       

dòng, trong dãy cánh tĩnh chỉ xảy ra sự biến đổi động năng thành cơ năng Ngày       

nay người ta chế tạo tầng xung lực có độ phản lực nhất định để tăng hiệu suất của       

nó.  ­ Tuabin phản lực (Reaction turbines) Sự giản nở của hơi nước xảy ra trong rảnh        

cánh tĩnh và rãnh cánh động với mức gần như nhau.  +/Theo đặc điểm của quá trình nhiệt:       ­ Tuabin ngưng hơi:  Trong đó toàn bộ lưu lượng hơi mới, lưu lượng hơi trích gia nhiệt, đều đi qua        

phần chuyền hơi, bành trướng đến áp suất bé hơn áp suất khí quyển, rồi vào bình       

ngưng Trong đó nhiệt của hơi thoát ra truyền cho nước làm mát và mất đi một cách       

vô ích Dùng để kéo máy phát điện và sản xuất điện năng Hiệu suất nhiệt tương đối       

thấp.       ­ Tuabin đối áp:    Trong loại tua bin này hơi bành trướng tới áp suất dưới áp suất khí       

quyển, còn nhiệt của nước làm mát bình ngưng thì được dùng cho các nhu cầu sinh       

hoạt, cho ngành nông nghiệp,…  Trong loại tuabin này, áp suất hơi sau tấng cuối cũng thường lớn hơn áp suất         khí quyển. 

Loại tuabin này ngoài việc trích hơi gia nhiệt hồi nhiệt (không điều chỉnh) còn bố trí       

một hoặc hai cửa trích hơi có điều chỉnh áp suất theo nhu cầu để dùng cho mục       

đích công nghệ và sưởi ấm Hơi trích được điều chỉnh có lưu lượng lớn hơn so với       

loại chỉ có trích hơi gia nhiệt và không phụ thuộc vào phụ tải của tuabin, còn áp suất       

trong cửa trích hơi thì giữ không đổi Lưu lượng hơi còn lại sẽ đi vào phần hạ áp rồi       

thoát về bình ngưng hơi.  Hiệu suất tại gian máy có thể đạt tới 42 – 45 %.Tuabin hơi có trích hơi điều         chỉnh rất phù hợp với việc phối hợp sản suất điện năng và nhiệt năng. 

  

 

Hình 1.3. Sơ đồ tuabin ngưng hơi có trích hơi điều chỉnh 

Trong tuabin này hơi trích từ tầng trung gian được dẫn về hộp tiêu thụ nhiệt, lượng       hơi còn lại tiếp tục làm việc trong các tầng khác và đi vào bình ngưng Áp suất hơi       trích được tự động duy trí ở mức không đổi. 

nó (nước tuần hoàn) và thường cao hơn nhiệt độ của của nước làm mát từ 8 đến 10 

độ C. Nước làm mát lấy từ ao, hồ, sông, suối, có nhiệt độ khoảng 20­25 độ C tùy thuộc vào mùa và điều kiện địa lý của nhà máy, nghĩa là hơi bão hòa khi ra khỏi tuốc bin chỉ có thể ngưng tụ ở nhiệt độ khoảng từ 30­35 độ C, tương ống với áp suất 

cuối tuốc bin từ 0,03­0,04 bar. Để đảm bảo được trạng thái này, người ta nối ống thoát hơi của tuốc bin với bình ngưng, độ chân không trong bình ngưng được tạo nên nhờ hơi ngưng tụ thành nước và nhờ các thiết bị đặc biệt như êjectơ hoặc bơm chân không. Các thiết bị này sẽ liên tục hút không khí ra khỏi bình ngưng.  

     Trong nhà máy điện, để đảm bảo chất lượng nước ngưng người ta chỉ áp dụng 

Hơi đi trên xuống bao bọc xung quanh bề mặt ngoài ống đồng, nhả nhiệt cho nước làm mát đi trong ống đồng và ngưng tụ thành nước. Nước chuyển động từ phía dưới lên trên ngược chiều dòng hơi. Bình ngưng có sơ đồ chuyển động của nước làm mát thành 2 chặng như vậy thì được gọi là bình ngưng 2 chặng. Tương tự như thế có thể 

có bình ngưng 3 chặng, 4 chặng. Sau khi nhả nhiệt cho nước làm mát, hơi được ngưng tụ lại rơi chảy xuống bình chứa ở dưới đáy bình ngưng và từ đó được bơm đi bằng bơm nước ngưng, còn nước làm mát đi trong hệ thống ống đồng gọi là nước tuần hoàn được lấy từ sông, hồ và được cung cấp bởi bơm tuần hoàn.  

sẽ làm giảm độ chân không, nghĩa là làm tăng áp suất cuối tuốc bin và có thể làm giảm một cách đột ngột khả năng truyền nhiệt trên các bề mặt ống làm mát, làm giảm công suất tuốc bin. Mặt khác các ống đồng trong bình ngưng cũng phải thật kín để tránh sự rò rỉ của ngước tuần hoàn vào nước ngưng, làm giảm chất lượng nước 

ngưng. Để bảo đảm độ chân không sâu, người ta tìm cách giảm trở lực của bình ngưng đối với hơi và tổ chức việc rút không khí ra khỏi bình ngưng một cách liên tục.  

 

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý Ejector 

 

khí­hơi nước từ buồng B vào ống khuếch tán. Vì thế buồng B (giữa tiết diện 1­1 và 2­2) được gọi là buồng hỗn hợp. ở ống khuếch tán, hỗn hợp hơi và không khí bị nén đến 1 áp suất đủ để thải nó ra khỏi êjectơ. áp lực hơi vào ống phun của êjectơ 

thường là 6 hoặc 12 at.  

 

      Trong nhà máy điện, theo nhiệm vụ êjectơ được chia thành thành 2 loại: ejectơ khởi động và ejectơ chính. ejectơ khởi động dùng để tăng tốc độ tạo chân không khi khởi động tuốc bin và trong thời gian khởi động tuốc bin thì nó làm việc song song với êjectơ chính. Khi khởi động xong thì êjectơ này ngừng hoạt động, còn ejectơ 

được chế tạo hai cấp hoặc ba cấp. Ngoài ra để nâng cao độ kinh tế, người ta thường làm thêm bình làm lạnh để làm lạnh hỗn hợp không khí hơi do ejectơ thải ra nhằm giữ lại lượng nước ngưng đọng từ hơi qua ejectơ.  

Mômen quay của roto turbine do công của dòng hơi sinh ra, còn mômen cản của

máy phát do phụ tải điện sinh ra trên các cực của máy phát Công suất của turbine       được tính theo công thức: 

      Ni = GHi , [kw] (1.1)       Hoặc Ni = GH0ηtd 

        Ở đây: ­ H0 là nhiệt dáng lý thuyết của turbine (không kể đến tổn thất) (kJ/kg)       ­ Hi  là nhiệt dáng thực tế của turbine 

      ­ ηtd là hiệu suất trong tương đối của turbine 

Từ (1.1) ta thấy công suất turbine tỉ lệ thuận với lưu lượng hơi và nhiệt dáng Sự cân       bằng giữa công suất hiệu dụng trên khớp trục turbine với phụ tải điện được biểu diển       bằng phương trình: 

Nhd = Nd + Ntt + (Jt + Jmf) Ω dΩ dτ       (1.2)  

Trong đó:+ Jt, Jmf  là mô men quán tính của rô to turbine và máy phát 

+ Nd: là công suất điện trên các cực của máy phát (phụ thuộc vào phụ tải

       

tiêu thụ bên ngoài)         +Ntt: là tổn thất công suất trên các ổ trục và tổn thất nhiệt trong máy phát           Từ (1.2) ta thấy: Phụ tải trên các cực của máy phát điện Nd phải luôn luôn cân  bằng  với công  Nhd trên  trục  turbine. Nghĩa  là sự thay đổi phụ tải trên các cực của  máy phát phải phù hợp với sự thay đổi công suất trên trục turbine. Mỗi giá trị phụ tải  xác định trên cực của máy phát tương ứng với một giá trị mô men quay trên trục của  turbine, nghĩa là tương ứng với một lưu lương hơi qua turbine. Khi phụ tải thay đổi sẽ  tạo ra sự mất cân bằng giữa mô men cản và mô men quay, do đó dẫn đến số vòng  quay của rô to thay đổi.  Khi đang ở trạng thái cân bằng, nếu phụ tải Nd của máy phát thay đổi trong khi        

mô men quay của turbine chưa thay đổi (tức N      hd chưa thay đổi) sẽ tạo ra sự mất cân       

bằng giữa công suất của turbine và công suất của máy phát, theo (1.2) thì tốc độ Ω       

turbine ­ máy phát sẽ thay đổi.  Rõ ràng khi Nd tăng thì số vòng quay Ω giảm đi Để duy trì Ω = const, cần phải        

tăng lượng hơi vào turbine để tăng công suất N      hd của turbine lên tương ứng Tóm lại       

bất kỳ một sự thay đổi nào của phụ tải điện cũng sẽ kéo theo sự thay đổi số vòng       

quay của turbine (tốc độ quay của rô to turbine ­ máy phát) Số vòng quay sẽ thay       

đổi đến chừng nào mà cơ cấu phân phối hơi chưa làm thay đổi lưu lượng hơi vào       

turbine, nghĩa là chưa thiết lập được sự cân bằng mới giữa mô men cản của phụ tải       

điện 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 (1.2) với bất kỳ sự thay đổi nào        

của phụ tải N      d   là nhiệm vụ của bộ điều chỉnh tốc độ (tức là điều chỉnh số vòng       

quay) Bộ điều chỉnh tốc độ được nối liên động với cơ cấu tự động điều chỉnh van       

phân phối hơi của turbine để điều chỉnh lượng hơi vào turbine phù hợp với phụ tải       

đổi công suất turbine cho phù hợp với sự thay đổi phụ tải điện Lưu lượng hơi được       thay đổi nhờ hệ thống phân phối hơi và hệ thống điều chỉnh của turbine. 

2.3.1.Các nguyên lý 

a,Dòng chảy trong ống phun lý tưởng: 

        Hình 2.3.Dòng chảy trong ống phun 

             c1 = √ c2 (i )  

o + 2 o − i1   Nếu chất công tác  là khí lý tưởng: 

số ban đầu ở cửa vào, và phụ thuộc rất lớn vào mức độ giản nở p      2/p1 Nếu   ω2càng 

tăng thì p2 càng giảm  co nghĩa là tỉ số  p2/p1 phải càng nhỏ. 

 

 +/ Thông số kĩ thuật: 

 +/ Thông số kỹ thuật : 

độ, điều hòa tín hiệu, hoặc PLC. Cảm biến Hall Effect hoạt động với sóng vuông và khả năng miễn dịch với tiếng ồn điện. 

Một đĩa phát xung hoặc chia cổ pulser bọc với nam châm được lắp trên trục theo dõi. Khi trục quay, các nam châm đi qua phía trước của bộ cảm biến gây ra cảm biến chuyển cao và thấp, do đó sản xuất một đầu ra xung kỹ thuật số. Các cảm biến cung cấp một tín hiệu sóng vuông kỹ thuật số với một chu kỳ nhất định, được sử dụng với máy phát xung cách đều nhau của nam châm điện xoay chiều phân cực. Khoảng cách khoảng cách giữa máy cảm biến và xung máy phát điện là 1/4 inch + / 

­ 1/8 inch. Sự linh hoạt khoảng cách làm cho các cảm biến chịu rung tốt, tránh trường hợp trục trượt ra, không thẳng hàng. 

Trong đó:     WPID((s) – Hàm truyền của bộ điều khiển PID;  

G1(s) – hàm truyền của cụm van servo – xylanh điều khiển van hơi; G      2(s) – hàm     truyền của cụm turbine – máy phát;  

 

Hình 3.2.  Sơ đồ mạch điều khiển cụm van servo – xylanh điều khiển van hơi 

Nếu bỏ qua biến dạng đàn hồi của dầu trong các buồng làm việc của xylanh và       đường ống; không tính đến ảnh hưởng của lực ma sát; van servo và bộ khuếch đại       được coi là các khâu khuếch đại. Ta có các phương trình sau: 

 Trong đó: 

 Rút gọn ta được: 

  

 

       Hình 3.6. Sơ đồ khối của cụm turbine – máy phát 

 

 

 Trong đó : K s= K x K K t Q 

3.3. Phương pháp tổng hợp bộ điều chỉnh tối ưu 

3.3.1. Giới thiệu bộ điều khiển PID 

Thuật toán điều khiển PID hầu hết được sử dụng cho vòng lặp có phản hồi Bộ điều       khiển PID có thể thể hiện dưới nhiều hình thức Nó có thể được thể hiện như một bộ       điều khiển độc lập hoặc là một phần của hệ thống điều khiển số trực tiếp (DDC) hay       

hệ thống điều khiển phân tán. 

Ngày nay, hơn một nửa các bộ điều khiển trong công nghiệp là sử dụng bộ điều       khiển PID vì nó có cấu trúc đơn giản và tin cậy Dưới đây là một sơ đồ đơn giản       minh hoạ mô hình bộ điều khiển PID hình 3.8 

 

 

 Với r(t) là tín hiệu vào, c(t) là tín hiệu ra; KP, KI, KD là các hệ số tỷ lệ, tích phân,

đạo hàm T       I là hằng số tích phân,T      D   là hằng số vi phân Rõ ràng r(t) phụ thuộc vào       các tham số K      P, T  I, T   D của bộ điều khiển PID và do đó chất lượng tín hiệu của hệ       thống cũng phụ thuộc theo. 

có thể xây dựng mô hình toán học tính toán các thông số PID. 

Quá trình lựa chọn các tham số điều khiển để đáp ứng cho hiệu suất chi tiết kỹ thuật       này được gọi là bộ điều chỉnh Ziegler và Nichols đề nghị điều chỉnh các quy tắc cho       các bộ điều khiển PID (có nghĩa là đặt các giá trị K      p, T     i, và Td) dựa trên phản ứng         bước thử nghiệm hoặc dựa trên giá trị của Kp rằng kết quả trong sự ổn định biên tại       

sao chỉ có những hành động kiểm soát tỷ lệ được sử dụng Ziegler và Nichols đưa ra       những quy tắc sau rất thuận tiện (Những quy tắc có thể, tất nhiên, được áp dụng       cho việc thiết kế các hệ thống được biết đến với mô hình toán học) Ziegler­Nichols       điều chỉnh các quy tắc cho các bộ điều khiển PID Ziegler­Nichols đề xuất quy định       

để xác định giá trị của việc đạt được tỷ lệ K      p, thời gian tách rời Ti và Td dựa vào       những đặc trưng tần số đã cho Như xác định các tham số của bộ điều khiển PID       hay điều chỉnh của bộ điều khiển PID có thể được thực hiện bởi các kỹ sư bằng       cách thử nghiệm trên các đối tượng khác nhau…. 

Có hai phương pháp gọi là các quy tắc điều chỉnh Ziegler­Nichols Trong cả hai       phương pháp, chúng ta lấy 25%  là độ vọt lố tối đa, hình 3.10 

 

3.3.3 Phương pháp thứ nhất: Ziegler ­ Nichols 

Trong phương pháp đầu tiên, chúng tôi có được thực nghiệm dựa vào đáp ứng quá       

độ của đầu vào, như trong hình 3.8 áp dụng cho các hàm nấc có dạng hình S như       trong hình 3.9 Các đường cong hình chữ S có thể được đặc trưng bởi hai hằng số,       thời gian trễ L và thời gian không đổi T Thời gian chậm trễ và thời gian liên tục       được xác định bằng cách vẽ một đường cắt tiếp xúc tại điểm uốn của S­đường cong       hình và xác định các nút giao thông của đường ốp với trục thời gian và dòng C      (t)   =