dieu khien toc do turbine pdf

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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. TRẦN XUÂN TÙY Đà Nẵng –Năm 2011 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Hoàng Tiến Phượng MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 3.1 Thông số bộ đi ều khiển P,PI,PID được chọn 50 3.2 Ziegler-Nichols điều chỉnh dựa trên nguyên tắc quan trọng đạt được Kcr va Pcr thời kỳ quan trọng (phương pháp thứ hai). 50 3.3 Bảng tiêu chuẩn ổn định Routh 51 3.4 Chọn các tham số Kp, Ti, Td 52 3.5 Các luật hợp thành mờ 62 4.1 Chức năng và nhiệm vụ của các thiết bị trong sơ đồ hình 4.2. 75 4.2 Chức năng và nhiệm vụ của các thiết bị trong sơ đồ hình 4.3. 77 4.3 Chức năng và nhiệm vụ của các thiết bị trong sơ đồ hình 4.4. 78 4.4 Chức năng và nhiệm vụ của các thiết bị trong sơ đồ hình 4.5. 80 4.5 Chức năng và nhiệm vụ của các thiết bị trong sơ đồ hình 4.6. 82 4.6 Chức năng và nhiệm vụ của các thiết bị trong sơ đồ hình 4.7. và hình 4.8. 85 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Sơ đồ khí thải ra môi trường của nhà máy sản xuất xi măng 4 1.2 Sơ đồ vận hành lò nung của nhà máy xi măng Sông Gianh 5 1.3 Mô hình thu hồi nhiệt kiểu không bù hơi đơn áp 9 1.4 Mô hình kiểu bù hơi sử dụng hơi thứ cấp hồi lưu 10 1.5 Mô hình tận dụng nhiệt dư bù hơi đa áp 10 2.1 Nồi hơi ống nước 16 2.2 Nồi hơi sử dụng nhiên liệu phun 20 2.3 Nồi hơi sử dụng nhiệt thải 21 2.4 Mặt cắt của turbine hơi 23 2.5 Sơ đồ nguyên lý đơn giản nhất của turbine hơi 24 2.6 Sơ đồ của turbine ngưng hơi có trích hơi điều chỉnh 26 2.7 So sánh các chu trình lý tưởng với áp suất ban đầu khác nhau trên giản đồ t – s. 29 2.8 Sự thay đổi của nhiệt giáng lý thuyết H o tùy thuộc vào áp suất ban đầu khi nhiệt độ ban đầu to và áp suất cuối p k 30 2.9 Ảnh hưởng của áp suất ban đầu po đến nhiệt giáng lý thuyết Ho và hiệu suất tuyệt đối lý tưởng η t với áp suất hơi thoát không đổi p k = 4 kpa 31 2.10 So sánh các chu trình nhiệt lý tưởng có nhiệt độ hơi ban dầu khác nhau trên giãn đồ T-S 31 2.11 So sánh các chu trình nhiệt lý tưởng với các áp suất cuối khác nhau trên giãn đồ T-S 32 2.12 Dòng chảy trong ống phun 33 3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ của turbine-máy phát điện 39 3.2 Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển tốc độ turbine 40 3.3 Sơ đồ khối biến đổi hàm truyền Ω(s)/e(s) 40 3.4 Sơ đồ mạch điều khiển cụm van servo – xylanh điều khiển van hơi 41 3.5 Sơ đồ khối biến đổi hàm truyền x(s)/E(s) a – Sơ đồ dạng tổng quát; b – Sơ đồ dạng thu gọn 42 3.6 Sơ đồ khối của cụm van servo – xylanh điều khiển van hơi 43 3.7 Sơ đồ nguyên lý của cụm turbine – máy phát 43 3.8 Sơ đồ khối của cụm turbine – máy phát 45 3.9 Sơ đồ minh họa mô hình điều khiển PID 47 3.10 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID 47 3.11 Độ vọt lố tối đa 25% 48 3.12 Hàm nấc thang 49 3.13 Thời gian dao động ổn định 49 3.14 Hệ thống chu trình kín với bộ điều khiển tỉ lệ 50 3.15 Bộ điều khiển PID điều khiển tốc độ turbine 51 3.16 Sơ đồ điều khiển PID 52 3.17 Sơ đồ khối được thu gọn 53 3.18 Đáp ứng cho hàm nấc thang đơn vị 54 3.19 Đáp ứng của hệ thống được cải thiện 57 3.20 Tối ưu hoá đáp ứng của hệ thống 58 3.21 Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ điều khiển tốc độ turbine 59 3.22 Khối thiết kế khâu FUZZY 59 3.23 Hàm liên thuộc của e(t) 60 3.24 Hàm liên thuộc của de(t) 61 3.25 Hàm liên thuộc của K’ p , K’ i v à K’ d 62 3.26 Biểu diển luật điều khiển K P ’, K i ’, K d ’ trong không gian 63 3.27 Mô hình hóa bộ điều khiển tốc độ trong Matlab-Simulink 63 3.28 Đáp ứng đầu ra với đầu vào là hàm nấc thang đơn vị 64 4.1 Mô phỏng tổng quan hệ thống thu hồi nhiệt 73 4.2 Hệ thống nồi hơi SP, AQC 74 4.3 Hệ thống WHB Wind 76 4.4 Hệ thống RAC WATER 77 4.5 Hệ thống ST STATE 80 4.6 Hệ thống ST SYSTEM 81 4.7 Hệ thống điện cao áp 83 4.8 Hệ thống điện hạ áp 84 1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Việt Nam hiện nay đang là nước đứng đầu Asian về sản xuất xi măng với sản lượng sản xuất trong năm 2010 đạt 63 triệu tấn và hơn 60 dây chuyền sản xuất xi măng lò khô đã được xây dựng. Tuy nhiên, ngành công nghiệp xi măng Việt Nam nói chung và công ty xi măng COSEVCO Sông Gianh nói riêng hiện đang phải đối mặt với những thách thức lớn như giá điện, than dầu tăng liên tục làm ảnh hưởng tới hiệu quả sản xuất kinh doanh công ty. Bên cạnh đó, tình trạng thiếu điện xẩy ra trong một thời gian dài cũng đã làm ảnh hưởng đến sản lượng sản xuất và tiêu thụ của nhà máy. Đứng trước những thách thức lớn đó, việc tận dụng nhiệt dư thừa trong lò xi măng để phát điện là một việc làm thiết thực và có ý nghĩa rất lớn đối với nhà máy xi mang COSEVCO Sông Ganh, nhất là trong bối cảnh hiện nay khi mà ngành điện trong nước chỉ đảm bảo được 80% năng lượng điện cho ngành xi măng từ nay đến năm 2020, còn lại 20% ngành xi măng phải tự lo. Do đó, việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế, đầu tư xây dựng dự án tận dụng nhiệt dư thừa của lò xi măng để phát điện là việc làm bắt buộc đối với nhà máy xi măng COSEVCO Sông Gianh. Các tính toán đã chỉ ra, khi lắp đặt hệ thống này trong nhà máy xi măng có thể tiết kiệm 20% chi phí điện năng hàng năm và giảm đáng kể khí CO 2 thải ra môi trường ngoài. Hiện tại các nhà máy xi măng trên thế giới đã đưa vào sử dụng hệ thống sử dụng nhiệt dư để phát điện, trong nước đã có một số nhà máy đưa vào khai thác như: Nhà máy xi măng Hà Tiên 2, nhà máy xi măng Công Thanh… Turbine hơi là thiết bị quan trọng trong dự án thu hồi nhiệt khí thải, việc điều chỉnh ổn định tốc độ turbine hơi quyết định các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống phát điện, khả năng ổn định tần số của máy phát…Đề tài “Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển turbine hơi trong dự án tận dụng nhiệt dư tại nhà máy xi măng Sông Gianh” là bước nghiên cứu ban đầu để lập dự án cũng như nắm bắt sơ đồ công nghệ, làm chủ hệ thống khi đầu tư vào sản xuất. 2 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý luận tổng quan, phương pháp thiết kế, xây dựng bộ điều tốc turbine hơi trên cơ sở đó ứng dụng cho dự án thu hồi nhiệt khí thải để phát điện phục vụ cho nhà máy xi măng COSEVCO Sông Gianh. 3. PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu nguyên lý thu hồi nhiệt tối ưu trong nhà máy sản xuất xi măng. - Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển tốc độ turbine hơi. - Xây dựng sơ đồ công nghệ của hệ thống. - Tính toán, thiết lập các thông số hệ thống để điều khiển tốc độ turbine hơi. - Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên máy tính. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Tính toán lý thuyết và mô phỏng hệ thống trên máy tính. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN - Thiết lập mô hình điều khiển tốc độ turbine hơi ứng dụng cho dự án thu hồi nhiệt khí thải để phát điện tại nhà máy xi măng COSEVCO Sông Gianh. 6. DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC & KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG - Xây dựng mô hình điều khiển tốc độ turbine hơi - Tối ưu hóa hệ thống điều khiển turbine hơi - Mô phỏng hệ thống thu hồi nhiệt trên máy tính phục vụ chô công tác đào tạo trước khi đưa dây chuyền vào sử dụng. 7. CẤU TRÚC LUẬN VĂN Ngoài phần mở đầu, kết luận và khả năng ứng dụng của đề tài, danh mục tài liệu tham khảo và các phụ lục, nội dung chính của luận văn được chia thành 4 chương như sau: Chương 1: Tổng quan Giới thiệu các nguồn nhiệt dư thải ra môi trường của các nhà máy xi măng hiện nay. Dựa vào những đặc tính công nghệ để xây dựng lên mô hình thu hồi nhiệt làm máy phát điện phục vụ cho nguồn điện sẽ thiếu hụt của nhà máy trong tương lai. 3 Chương 2: Các thiết bị chính trong dây chuyền thu hồi nhiệt dư Giới thiệu một số thiết bị chính trong dây chuyền. Nguyên lý làm việc của các thiết bị và chu trình nhiệt hóa hơi. Chương 3: Thiết kế mô hình điều khiển tốc độ của turbine hơi Trong phần này giới thiệu về mô hình toán học điều khiển tốc độ turbine hơi, xây dựng mô hình điều khiển tốc độ turbine bằng thuật toán PID cổ điển từ đó chỉnh định các tham số của bộ điều khiển PID bằng bộ điều khiển fuzzy mờ. Chương 4: Mô phỏng hệ thống bằng WINCC phục vụ cho công tác đào tạo 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 điều khiển. 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. CÁC NGUỒN NHIỆT DƯ TẠI CÁC NHÀ MÁY SẢN XUẤT XI MĂNG Ở các nhà máy xi măng thế hệ thứ hai hiện nay trên thế giới có hai nguồn nhiệt dư được thải ra môi trường đó là nhiệt sau tháp trao đổi nhiệt và nhiệt thải ở sàn làm nguội clanhke như hình 1.1. Tùy theo công suất của từng nhà mà ta có các thông số nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, nồng độ bụi… khác nhau. 1.1.1. Nhiệt dư thải ra môi trường của nhà máy xi măng Sông Gianh Hình 1.1. Sơ đồ khí thải ra môi trường của nhà máy sản xuất xi măng Hệ thống van điều chỉnh Tháp trao đổi nhiệt Quạt ID Giàn làm lạnh Lọc bụi điện Khí thải T=80-100 0 C Khí thải T=300-350 0 C Lò nung 5 Ở nhà máy xi măng Sông Gianh cũng có hai nguồn nhiệt dư thải ra môi trường là nhiệt dư sau tháp trao đổi nhiệt và nhiệt dư sau giàn làm lạnh clanhke như hình 1.2. 1.1.2. Nhiệt dư thải ra môi trường sau tháp trao đổi nhiệt - Lưu lượng khí nóng thải ra môi trường: 230.000 m 3 /h - Nhiệt độ khí và bụi: 335 0 C - Áp suất trước quạt ID: -57 mbar 1.1.3. Nhiệt dư thải ra môi trường sau giàn làm lạnh clanhke - Lưu lượng khí nóng thải ra môi trường: 290.000 m 3 /h - Nhiệt độ khí và bụi thải ra môi trường: 100 0 C - Áp suất trước quạt khí thải: -10 mbar Hình 1.2. Sơ đồ vận hành lò nung của nhà máy xi măng Sông Gianh [...]... - Tua bin hi l loi cú s dng hay khụng s dng hi th cp - Vỡ cựng tham s ca khớ thi do vy trong mụ hỡnh th nht cụng sut phỏt in l 100% thỡ mụ hỡnh 1.2 l 101,5 - 102% v mụ hỡnh th ba l 102 - 103% - Vi mụ hỡnh 1.1 v trớ lp t Turbine khụng quan trng nhng vi mụ hỡnh th hai thỡ turbine lp cỏch xa sn lm ngui, cũn mụ hỡnh th ba turbine hi cng gn sn lm ngui cng tt 1.4 CễNG NGH PHT IN TN DNG NHIT D NHIT THP CHO... Tuabin hi nc hay cũn gi l ng c hi nc, trong ú th nng ca hi ban u s chuyn húa thnh ng nng, sau ú chuyn thnh c nng lm quay bỏnh cụng tỏc + Cu to Dũng hi Turbine ỏp sut cao Turbine ỏp sut trung bỡnh Hi vo Turbine ỏp sut thp Dũng hi Hi thoỏt ra Hỡnh 2.4 Mt ct ca turbine hi õy l mt tua bin trc ngang - B phn chớnh: Cỏnh dn hng, lm bng thộp khụng r, l mt kt cu cú hai tr Np ct ỏp v vũng ai, ỏy cú v bng thộp ZG230-450... qut 25 - Tuabin nhiu tng (Multistage turbines) Cú nhiu tng cụng tỏc (xung lc hay phn lc) ni tip nhau, cụng sut ln Theo hng chuyn ng ca dũng hi - Tuabin dc trc (Axial turbines ) Dũng hi chuyn gn nh song song vi trc - Tuabin hng kớnh (Radial turbines) Dũng cú hng vuụng gúc vi trc, cú th l ly tõm hay hng tõm Theo nguyờn lý tỏc dng ca dũng hi - Tuabin xung lc (Impulse turbines) Hi nc ch gin n tng tc trong... 2 9 Hỡnh 2.5 S nguyờn lý n gin nht ca turbine hi 1 Bỡnh kh khớ; 2 Bm nc cp; 3 Bỡnh gia nhit cao ỏp; 4 Lũ hi; 5 B quỏ nhit; 6 Turbine hi nc; 7 Mỏy phỏt in; 8 Bỡnh ngng; 9 Bm nc ngng; 10 Bỡnh gia nhit h ỏp 2.2.3 Phõn loi Tu thuc vo tớnh cht ca quỏ trỡnh nhit cú th phõn bit cỏc loi tua bin hi nc ch yu nh sau: Theo tng s cụng tỏc: - Tuabin mt tng (Single- stage turbines) Cụng sut t nh Thng dựng cho mỏy... tc truyn nhit bc x v i lu cao nht Lũ hi trn b cú nhng c im sau: Bung t nh, tc truyn nhit cao dn n quỏ trỡnh hoỏ hi nhanh hn Quỏ trỡnh truyn nhit do i lu tt hn do c lp mt s lng ln cỏc ng truyn, nhit cú ng kớnh nh giỳp truyn nhit i lu tt Hiu sut chỏy cao do cú s dng h thng thụng giú cng bc Quỏ trỡnh truyn nhit tt hn nh s ln khớ i qua lũ hi Hiu sut nhit cao hn so vi cỏc loi lũ hi khỏc Nhng lũ hi ny c... sut ti gian mỏy cú th t ti 42 45 %.Tuabin hi cú trớch hi iu chnh rt phự hp vi vic phi hp sn sut in nng v nhit nng Hi mi Xupap hi Turbine cao ỏp Trớch hi hi nhit Turbine h ỏp Xupap iu chnh Mỏy phỏt in Rỳt hi hi nhit H dựng nhit Bỡnh gia nhit Bỡnh ngng hi Bm Hỡnh 2.6 S ca turbine ngng hi cú trớch hi iu chnh - Tuabin ngng hi cú ca trớch iu chnh trung gian: Trong tuabin ny hi trớch t tng trung gian c... v nc cp cho lũ hi phớa trờn s c chuyn thnh hi Lũ hi ng la thng c s dng vi cụng sut hi tng i thp cho n ỏp sut hi trung bỡnh Do ú, s dng lũ hi dng ny l u th vi t l hi lờn ti 12.000 kg/gi v ỏp sut lờn ti 18 kg/cm2 Cỏc lũ hi ny cú ths dng vi du, ga hoc cỏc nhiờn liu lng Vỡ cỏc lý do kinh t, cỏc lũ hi ng la nm trong hng mc lp t trn gúi (tc l nh sn xut s lp t) i vi tt c cỏc loi nhiờn liu + Ni hi ng nc (Water... mi To khụng i, nu tng ỏp sut hi ban u po thỡ nhit hi bóo ho s tng, do ú nhit tng ng cp nhit s tng t Tdh n Ttd1 (hỡnh1) Theo cụng thc sau thỡ hiu xut ca chu trỡnh s tng lờn 29 T S Hỡnh 2.7 So sỏnh cỏc chu trỡnh lý tng vi ỏp sut ban u khỏc nhau trờn gin t s Nhng cng tng ỏp xut ban u nhit tng ng ca chu trỡnhT td lỳc u tng, sau ú, do tng phn nhit dựng un nc ti nhit bóo ho, nhp tng y chm dn, v nu... b trc khi ra khụng khớ + Ni hi bung la tng sụi iu ỏp (PFBC) loi lũ hi ny, mt mỏy nộn khớ s cung cp khớ s cp cng bc (FD) v bung t l mt ni ỏp sut Tc thoỏt nhit trong tng sụi t l vi ỏp sut ca tng sụi v do dú, tng sõu s giỳp thoỏt nhit nhiu Nh vy, hiu sut chỏy v s hp th S2 trong tng nhiờn liu.Hi c to ra trong hai ng, mt nm trong tng sụi v mt nm trờn Khớ lũ núng cú th chy tua bin s dng gas phỏt in H thng... hi Vic sinh hi v lm quỏ nhit hi din ra b phn i lu, thnh ng nc v u ra ca dn ng nõng lờn Cỏc lũ hi bung la tng sụi tun hon khớ thng kinh t hn so vi lũ hi bung la tng sụi khụng khớ khi ỏp dng trong cỏc doanh nghip cụng nghip cn s dng lng hi ln hn 75 100 T/h Vi cỏc nh mỏy cú nhu cu ln hn, nh c im lũ t cao ca h thng lũ hi bung la tng sụi tun hon khớ s cung cp khong trng ln hn s dng, cỏc ht nhiờn liu . phun 20 2.3 Nồi hơi sử dụng nhiệt thải 21 2.4 Mặt cắt của turbine hơi 23 2.5 Sơ đồ nguyên lý đơn giản nhất của turbine hơi 24 2.6 Sơ đồ của turbine ngưng hơi có trích hơi điều chỉnh 26 2.7 So sánh. kế mô hình điều khiển tốc độ của turbine hơi Trong phần này giới thiệu về mô hình toán học điều khiển tốc độ turbine hơi, xây dựng mô hình điều khiển tốc độ turbine bằng thuật toán PID cổ điển. cụm van servo – xylanh điều khiển van hơi 43 3.7 Sơ đồ nguyên lý của cụm turbine – máy phát 43 3.8 Sơ đồ khối của cụm turbine – máy phát 45 3.9 Sơ đồ minh họa mô hình điều khiển PID 47 3.10 Sơ