Điều khiển vận tốc tua bin

Đồ án nhiệt lạnh 1.....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NHIỆT - LẠNH

-o0o -ĐỒ ÁN I

ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC TUA BIN

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đức Thành

Lớp: Nhiệt lạnh 2 – K56 Ngành: Kỹ thuật Nhiệt Lạnh

MỞ ĐẦU

Trên thế giới tỷ lệ điện năng do nguồn nhiên liệu hữu cơ ngày càng tăng, tỷ

lệ thủy điện ngày càng giảm, hạt nhân tăng mạnh trong những năm 70,80 thập kỷ trước nhưng bây giờ chững lại

Việt Nam có ưu điểm về trữ lượng lớn, nguồn than tốt, giá than trên cùng 1 đơn vị nhiệt lượng chỉ bằng ½ dầu nên tỷ lệ các nhà máy nhiệt điện đốt than ở Việt Nam lớn và có xu hướng tăng

Tua bin thiết bị là trực tiếp tạo ra điện năng trong các nhà máy nhiệt điện Việc nâng cao hiệu suất sử dụng thiết bị có ý nghĩa rất lớn: tiết kiêm chi phí,

khoáng sản, giảm hiệu ứng nhà kính từ các khí thải (CO2, NO2, SO2…)

Được sự hướng dẫn của P.GS Nguyễn Văn Mạnh, Ths Cao Đại Thắng, em xin thực hiện đề tài “ Điều chỉnh vận tốc tua bin trong nhà máy nhiêt điện” Đồ án gồm có 4 chương:

 Chương I: Mô tả chung về công nghệ và hệ thống điều khiển

 Chương II: Hệ thống điều khiển vận tốc tua bin

 Chương III: Cơ sở mô hình hóa và tổng hợp bộ điều chỉnh

 Chương IV: Thu thập số liệu, tổng hợp độ điều khiển, đánh giá chất lượng điều khiển

CHƯƠNG 1

MÔ TẢ CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Giới thiệu sơ lược về nhà máy nhiệt điện Uông Bí

Nhà máy nhiệt điện Uông Bí được xây dựng tại thị xã Uông Bí, tỉnh Quảng Ninh Nguồn nhiên liệu được lấy từ mỏ Vàng Danh cách nhà máy 2km, nước làm mát lấy từ song Bạch Đằng cách nhà máy 1.7km Nhà máy được thiết kế công suất 300MW

Hình 1.1: Sơ đồ nhà máy nhiệt điện Uông Bí

Than nguyên được sang lọc thành than cám, từ nhà kho chứa than nguyên được hệ thống bang tải vận chuyển vào 4 phễu than, từ đây sang máy nghiền than kiểu bi Than được nghiền thành bột, những hạt than lớn được quay lại máy

nghiền Than mịn được sấy và đưa vào 2 tầng vòi đốt, mỗi tầng có 4 vòi thực hiện đối đều lên 4 vách

Gió nóng cho lò hơi được quạt vào từ không khí bên ngoài qua hệ thống sấykhông khí cấp I, II, III Khói thoát ra từ buồng đốt đùng để sấy hơi ở các bộ quá nhiệt và trao đổi nhiệt với nước ở bộ hâm nước và sấy nóng không khí đưa vào sau

đó khói thoát ra đi qua bộ lọc tĩnh điện và bộ khử lưu huỳnh được quạt hút khói thông ra ngoài thông qua ống khói

Nước cấp cho là được gia nhiệt qua các bình cao áp sau đó nhận nhiệt biến thành hơi quá nhiệt cho giãn nở trong tua bin làm quay máy phát điện Phần hơi được trích ra từ tua bin để thực hiện chu trình trích hơi gia nhiệt nước cấp Phần hơi thoát ra ở phần hạ áp của tuabin được đưa vào bình ngưng, được ngưng tụ thành nước ngưng Sau đó được bơm ngưng đưa qua bình gia nhiệt hạ áp rồi được đưa vào khử khí ở bình khử khí rồi được bơm cấp nước qua bình gia nhiệt cao áp rồi cấp cho lò qua bộ hâm nước tạo chu trình mới

1.1.2 Giới thiệu chung về các loại tua bin

Tua bin là môt thiết bị động lực dung để biến đổi năng lượng của dòng chảy thành cơ năng kéo máy phát điện

- Năm 1834 Fuaray (Pháp) chế tạo thành công bánh tua bin đầu tiên

- Năm 1837 Xaphon (Nga) chế tạo tua bin nước kiểu ly tâm

- Năm 1838 Holp (Mĩ) đã cải tiến tua bin ly tâm thành tua bin hướng tâm

- Năm 1847-1849 Dran Franxic (Mĩ) cải biến tua bin Holp thành tua bin tâm trục có hiệu suất cao hơn

- Năm 1837-1841 Ghensen (Đức) và Jonvan (Pháp) chế tạo tua bin hướng trục cánh cố định

- Năm 1912-1924 Kaplan (Tiệp) đã cải tiến tuabin hướng trục cánh cố địnhthành tua bin hướng trục cánh cố định thành tua bin hướng trục cánh điềuchỉnh

- Năm 1880 Penton đã cải tiến bánh xe nước, và phát minh ra tua bin gáo

Ngày nay các tua bin trên đã cải tiến và hoàn thiện ở mức độ cao, nhiều tua bin mới được ra đời.

Phân loại tua bin:

1, Tua bin phản lực: Tùy vào hướng chảy của dòng chảy mà chia tua bin phản lực

thành các loại tuabin hướng trục, tuabin tâm trục, tuabin hướng trục chéo

a, Tuabin hướng trục

Tua bin hướng trục là tuabin trong đó hướng chuyển động của dòng chảy trong phạm vi bánh công tác song song với trục quay tua bin Tuabin hướng trục cóthể là loại cánh cố định (tuabin chong chóng) hoặc loại cánh điều chỉnh

b, Tuabin tâm trục

Tua bin tâm trục là tuabin mà hướng của dòng chảy ở vùng bánh công tác ban đầu theo phương hướng tâm sau đó chuyển sang song song với trục Tuabin này còn gọi là tua bin Franxic

c, Tuabin hướng chéo

Kết hợp ưu điểm của tuabin hướng trục và tua bin tâm trục

Dòng chảy trong vùng bánh công tác của tua bin hướng trục chéo có hướng làm với trục quay 1 góc nào đó Bầu cánh là hình nón, bầu cánh chứa toàn bộ cơ cấu điều chỉnh cánh như cơ cấu điều chỉnh của tua bin hướng trục cánh xoay

2, Tua bin xung lực

a, Tuabin gáo

Là loại tuabin xung lực được sử dụng nhiều nhất, phần dẫn dòng của nó gồmbánh công tác và vòi phun Bánh công tác gồm nhiều bánh hình gáo được gắn chặt lên đĩa bánh công tác

Hình 1.2 : Sơ đồ tuabin Penbon

b, Tua bin tia nghiêng

Tua bin tia nghiêng có dòng chảy từ vòi phun hướng vào bánh công tác dưới 1 góc nghiêng Tua bin này được lắp trong những nhà máy nhỏ

c, Tua bin tác dụng kép

Dòng chảy từ vòi phun tác dụng lên bánh công tác 2 lần, dòng chảy đi từ ngoài vàotâm sau đó lại hướng từ tâm ra ngoài nên gọi là tua bin tác dụng kép

Hình 1.3 : Tua bin tác dụng kép

1.2 Hệ thống điều khiển vận tốc tuabin

Nhiệm vụ cơ bản của bộ điều tốc tuabin là làm thay đổi lưu lượng qua tuabin

để thay đổi momen của tuabin, sao cho bằng momen cản để giữ cho số vòng quay không thay đổi

Bộ điều tốc thay đổi vận tốc tuabin bằng cách điều tiết chất mang năng lượng (hơi quá nhiệt) vào tua bin Để điều tiết năng lượng vào tuabin người ta dùng các van điều tiết Trong các hệ thống điện hiện đại, các bộ điều tốc sơ cấp của tuabin làmột trong những phần tử chủ yếu của hệ thống điều chỉnh tần số nó còn tham gia vào quá trình phân bố công suất tác dụng giữa các tổ máy trong nhà máy

Chương II: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VẬN TỐC TUA BIN

2.1 Nguyên lý bộ điều tốc tua bin trong nhà máy điện

Phương trình chuyển động của roto trong tổ máy có dạng:

MT – Mc = J (2.1)Trong đó:

MT: momen của tua bin

Mc: momen cản phụ thuộc vào phụ tải J: momen quán tính của roto trong tổ máyω: vận tốc góc roto

Momen tua bin tính theo công thức:

MT = (2.2)Trong đó:

 Theo phương trình (2.3.c) người ta chế tạo bộ điều tốc theo dõi sự thay đổi của vận tốc góc ω và điều chỉnh sao cho Jω = const

2.2 Sơ đồ công nghệ của hệ thống điều khiển

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý điều khiển vận tốc tua binDựa vào sơ đồ trên ta thấy: tốc kế đo vận tốc tua bin để đưa vào bộ điềukhiển Bộ điều khiển sẽ tác động đến cơ cấu chấp hành là moto servo để điều khiểnvan thủy lực, từ đó thay đổi vận tốc tuabin tạo thành 1 chu trình kín

2.3 Một số phương pháp đo vận tốc và công nghệ điều khiển

a, Các phương pháp cảm biến đo tốc độ tua bin

 Điều chỉnh vận tốc dùng con quay ly tâm

Hình 2.2: Điều tốc bằng con quay ly tâm

Đây là bộ điều tốc máy hơi nước kiểu con quay ly tâm do Jame Watt chế tạo năm 1784 Tốc độ quay trục của đầu máy hơi nước được biến đổi tỷ

lệ thành tốc độ con quay ly tâm với 2 quả đối trọng đối xứng Sự chuyển động của hai quả trọng xung quanh trục thẳng đứng tạo ra lực ly tâm đẩy chúng ra xa khỏi trục Nhờ hệ thống hai thanh truyền lực có khớp xoay, một phần của lực ly tâm biến thành lực dọc trục hướng lên phía trên ép vào lò xo

Lx cho đến khi đạt vị trí cân bằng Khi đó, con trượt M gắn với đầu dưới của hai thanh truyền lực, chuyển dịch và chiếm vị trí cân bằng tương ứng Đồng thời nhờ cách tay đòn L1-L2 trục van điều chỉnh dòng hơi nước dịch chuyển ngược hướng với chuyển động của con trượt M và tạo ra độ mở van thay đổingược với hướng thay đổi tốc độ quay của máy hơi nước

 Điều chỉnh vận tốc nhờ cơ cấu cơ-thủy lực

Hình 2.3: Hệ thống điều chỉnh vận tốc nhờ cơ cấu cơ-thủy lực

Khi ở trạng thái cân bằng (xác lập), tốc độ quay của máy hơi nước bằng giá trị định trước, các cánh tay đòn L1, L2 chiếm vị trí nằm ngang Hai đường dẫn đầu vào buồng trên và buồng dưới của trợ động cơ TĐ bị chắn như nhau bởi piton trong ngăn kéo NK Piston của trợ động cơ TĐ cùng với trục van điều chỉnh giữ vị trí cố định và lò xo Lf không bị kéo nén

Giả sử theo một nguyên nhân nào đó, tốc độ quay của máy hơi nước tang lên Khi đó, tốc độ của con quay ly tâm tăng theo, làm cho con trượt M chuyển dịch lên phía trên và các tay đòn L1, L2 chuyển động quanh điểm A Điểm B cùng với piton trong ngăn kéo NK chuyển dịch lên phía trên, mở cho buồng trên của trợ động cơ TĐ thông qua đầu đẩy của bơm dầu, còn bên dưới thông với đường xả ra thùng chứa

Dưới tác dụng của áp suất dầu đẩy của bơm dầu, piston của trợ động cơ TĐ cùng trục van điều chỉnh chuyển dịch xuống phía dưới làm đóng bớt dòng hơi vào máy hơi nước.

Tức thời, bộ đệm Đf cùng với điểm A bị kéo xuống phía dưới, chống lại sự chuyển dịch của điểm B gây ra bởi con trượt M Bộ khuếch đại thủy lực có hệ số rất lớn và có cơ cấu phản hồi phụ cũng được hiệu chỉnh sao cho điểm B thay đổi rất ít và có thể coi điểm B là 1 điểm tựa cố định của cách tay đòn Như vậy ở thời điểm bắt đầu quá trình điều chỉnh, độ dịch điểm A và con trượt M là tỷ lệ với nhau

 Đo tốc độ bằng cảm biến quang học: Encoder

Hình 2.4: Cảm biến quang học EncoderNguồn sóng là tia laze, khi chiếu qua lỗ đến tế bào quang học làm cho dòng điện chạy qua (tương ứng với mức tín hiệu 1) Khi lệch khỏi lỗ thì tế bào quang học không được chiếu sáng, khiến cho dòng điện không đi qua (tương ứng với mứctín hiệu 0) Tín hiệu từ bộ phận quang học được nối đến thiết thị điện tử để đếm xung, từ đó tìm ra vận tốc

Độ chính xác của encoder phụ thuộc vào số lượng lỗ trên đĩa Encoder có loại 24 lỗ, 36 lỗ, 888 lỗ… đến hàng nghìn lỗ Việc sử dụng encoder tương đối chính xác nhưng khi sử dụng lâu dầu dễ bám bẩn làm giảm độ tin cậy thiết bị, nên thực tế ít sử dụng

 Đo tốc độ bằng cảm biển từ trở

Hình 2.5: Cảm biến thay đổi từ trởLoại này dùng hiện tượng cảm ứng điện từ để đếm xung nhờ các rãnh từ,làm thay đổi từ trở dẫn đến thay đổi điện áp và mức tín hiệu Phương pháp nàytương đối tin cậy vì ít ảnh hưởng bởi dầu mỡ Thực tế người ta thường sử dụng còn

Hình 2.6.b: Tốc độ kế điện từ loại DC hoặc AC

Cả hai loại trên đều không đáng tin cậy nên ít được sử dụng trong thực tế

b, Hệ thống điều khiển Ovation DCS

Ovation là công nghệ điều khiển đáng tin cậy và đáp ứng giám sát thời gianthực và hệ thống điều khiển quá trình sử dụng phần cứng, hệ điều hành và côngnghệ mạng thương mại sẵn có.

Hệ thống Ovation bao gồm các trạm vận hành khác nhau, chúng được liên kếtvới nhau thông qua một mạng tốc độ cao Các trạm vận hành đó thực hiện cácchức năng khác nhau, kết quả là gửi dữ liệu thông qua mạng Bên cạnh đó mỗitrạm trên mạng đều có khả năng tập hợp dữ liệu và gửi dữ liệu ghi được cáctrạm khác yêu cầu

Mạng Ovation cho phép cả hai loại cáp truyền thông là cáp quang và cáp đồng

 Cơ sở dữ liệu

Cơ sở dữ liệu Ovation bao gồm một trình tiện ích Master Database củaOracle Cơ sở dữ liệu này chứa cấu hình hệ thống, thông tin thuật toán điềukhiển, và cơ sở dữ liệu điểm quá trình

Tất cả các công cụ lập trình và giao diện người sử dụng được lưu trong cơ sở dữliệu Ovation, và các thông tin đó được truyền tới hệ thống điều khiển Cácphần mềm ứng dụng và các hệ thống điều khiển có thể được truy cập dễ dàngthông qua ngôn ngữ truy vấn có cấu trúc (SQL)

 Các mô đun vào/ra

Ovation I/O là các khối chức năng, các thành phần plug-in đó có khả năngkháng lỗi cao và chuẩn đoán hệ thống Các mô đun Ovation chuyển đổi các tínhiệu vào và khởi tạo các tín hiệu ra Các mô đun này được lắp đặt trong tủOvation Controller, nhưng chúng cũng có thể được lắp đặt trong các tủ ở xa tới

2000 mét tính từ các Controller

 Bộ điều khiển

Ovation Controller là một bộ điều khiển quá trình sử dụng vi sử lý IntelPentium và chạy trên hệ điều hành thương mại sẵn có Controller sử dụng mộtgiao diện off-the-shelf, dựa trên công nghệ mạng mới nhất để kết nối tớimạng Ovation

Contrller thực hiện tính toán, điều khiển tuần tự và hỗ trợ các chức năng sau:

- Khởi tạo và nhận các điểm quá trình

- Thêm, xoá, và chỉnh sửa các điểm trực tuyến

- Cung cấp cảnh báo và sử lý các từ lệnh cho các điểm được khởi tạo

- Đọc các mô đun vào/ra và chuyển đổi dữ liệu tới các điểm quá trình

- Đọc các điểm quá trình và ghi dữ liệu tới các mô đun vào/ra

- Thực hiện điều khiển các thuật toán

 Trạm vận hành OWS

Trạm OWS cung cấp truyền thông với khối sử lý thông qua mạng

Ovation và giám sát điều kiện bình thường và không bình thường Một cơ sở dữliệu phân tán (Raima) hỗ trợ OWS

Các chức năng của OWS bao gồm các ứng dụng chính sau:

- Base Alarm System - Hệ thống cảnh báo cơ sở: Cung cấp một

phương pháp để nhận biết và hiển thị các điều kiện không bình thường nhưcác drop bị sự cố, các điểm vượt quá giới hạn

- Process Diagram System - Hệ thống sơ đồ quá trình: Cho phép xem

các sơ đồ đồ hoạ các thiết bị điều khiển quá trình để giám sát và điều khiển

hệ thống

- Point Information (PI) System - Hệ thống thông tin điểm: Cho phép

xem và biên tập các thông tin điểm từ Ovation Network và PointBuilder

- Error Log - Cung cấp thông tin về các lỗi hệ thống và ghi thông tin đó

tới một tập log (log file)

- Point Review - Xem lại các điểm: Cho phép tìm kiếm cơ sở dữ liệu

cho các điểm có khả năng cấu thành một nhóm điểm

- Trend - Đồ thị điểm: Cho phép hiển thị các dữ liệu mẫu được tập hợp cho

các điểm đang thực hiện trên Ovation Network trong đồ hoạ

- Point Viewer - Cho phép xem tất cả các điểm trong cơ sở dữ liệu hệ

thống

 Trạm kỹ thuật EWS

Trạm EWS cung cấp môi trường để phát triển và bảo trì các phần mềm ứngdụng và phần mềm hệ thống Các chương trình, các file cấu hình và file dữ liệu

có thể được hiệu chỉnh để tạo ra và duy trì cấu hình hệ thống, phát triển và duytrì các ứng dụng phần mềm và duy trì hoạt động cho phần mềm ứng dụng củacác trạm khác Tất cả các công cụ Ovation Power đều được truy cập từ EWS

Các công cụ cơ bản của Ovation Power là:

- Init Tools và Admin Tools – dùng để cấu hình và định nghĩa cho hệ

thống Ovation

- Point Builder – dùng để tạo, chỉnh sửa, và xoá các điểm

- I/O Builder – dùng để định nghĩa các môđun I/O sử dụng trong hệ

thống Ovation

- Holding Registers – dùng để chứa dữ liệu của thuật toán (thường là cho

các chức năng đặc biệt và các ứng dụng thang (Ladder))

- Drop Loader – dùng để nạp điều khiển và tạo thông tin điểm cho các

trạm trong hệ thống Ovation, kết nối cơ sở dữ liệu chính (MasterDatabase) với các trạm khác trong hệ thống

- User Reconcile – dùng để chuyển các bộ điều khiển (trực tuyến) thành

cơ sở dữ liệu

- Point Grop Builder – dùng để tạo các nhóm điểm được sử dụng trong các

biểu đồ hay đồ hoạ

- Security Builder – dùng để tạo, chỉnh sửa, và xoá các đối tượng và các định

nghĩa

- Baseline/ Compare – dùng để theo dõi các thay đổi của cơ sở dữ liệu

- External Database Compare – dùng để so sánh cơ sở dữ liệu ngoài với

cơ sở dữ liệu chính

- Control Builder – là trình xây dựng đồ hoạ trên nền AutoCAD đƣợc dùng

để tạo Logic điều khiển chạy trên các bộ điều khiển của Ovation

- Graphic Builder – dùng để tạo và chỉnh sửa các sơ đồ quá trình hệ thống

hiển thị trên trạm làm việc Ovation

Ovation Historians cung cấp khả năng lưu trữ và phục hồi dữ liệu quátrình, các cảnh báo, các sự kiện tuần tự (SOE), các log và các hành động vậnhành trong hệ thống điều khiển quá trình Các báo cáo đư-ợc khởi tạo cungcấp các thông tin hữu ích để vận hành, lập trình và bảo trì.

 Các thiết bị ngoại vi

Ovation cung cấp khả năng để chuyển đổi thông tin giữa hệ thống điềukhiển và các thiết bị ngoại vi nhƣ Allen-Bradley, GE Mark V/VI,Modbus, RTP I/O, Toshiba và các thiết bị MHI

 Khả năng kết nối

Các sản phẩm của Emerson có khả năng liên kết, như Web Acess ViewEnable (WAVE), ODBC Server, NetDDE Server, OPC Server vàSCADA Server kết nối tới hệ thống điều khiển Bằng cách tích hợpcác khối điều

khiển và hệ thống thông tin

2.4 Phương pháp lấy số liệu

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ MÔ HÌNH HÓA ĐỐI TƯỢNG VÀ TỔNG HỢP BỘ

ĐIỀU CHỈNH TỐI ƯU 3.1 Lý thuyết nhận dạng và mô hình hóa

Các đối tượng điều khiển thường gặp trong công nghiệp rất phong phú và đadạng, từ dạng đơn giản nhất, như những khâu tuyến tính điển hình một đầu vào vàmột đầu ra (SISO), cho đến những dạng phức tạp nhiều đầu vào nhiều đầu ra(MIMO)

Các đối tượng điều khiển công nghiệp thường có quán tính bậc cao và cóquá trễ vận tải Nói chung chúng có tính chất phi tuyến và thường thay đổi mộtcách bất định, do đó điều kiện làm việc thay đổi Về cấu trúc, các đối tượng điềukhiển công nghiệp có thành hai loại, đối tượng nhiều đầu vào một đầu ra và loạiđối tượng có nhiều đầu vào nhiều đầu ra

Như đã nói trên, các đối tượng điều khiển công nghiệp có thể có một hoặc cónhiều đầu ra, nhưng thường có nhiều kênh Mỗi kênh là một đối tượng đơn, thểhiện một mối liên kết vào-ra nhất định Về sau, nếu không có chú thích thêm, khinói đến đặc tính của đối tượng, ta hiểu đó là đặc tính của đối tượng đơn, theo mộtkênh nhất định Đặc tính động học của đối tượng được thể hiện trên đặc tính tần sốhoặc đặc tính thời gian, trong đó, đặc tính quá độ (đáp ứng đối với xung bậc thang)phản ánh đầy đủ và trực quan các đặc điểm động học của đối tượng

Điểm đặc trưng của các đối tượng công nghiệp là có trễ vận tải và có quántính lớn Trễ vận tải còn gọi là trễ tuyệt đối, trễ thời gian chết, vvv…, đó là thờigian kể từ khi xuất hiện xung đầu vào (≠0) đến khi đại lượng ra bắt đầu thay đổi sovới giá tri xác lập ban đầu

Độ quán tính của đối tượng được phản ánh mức độ phản ứng chậm của nó,

kể từ khi đại lượng ra bắt đầu thay đổi Dó có quán tính lớn và trễ vận tải nên hầuhết các đối tượng điều khiển công nghiệp đồng thời hệ thống điều khiển tương ứng

là những bọ lọc tần số thấp