NGHIÊN cứu hệ THỐNG rơ LE bảo vệ NHÀ máy NHIỆT điện và THIẾT kế MẠCH đo KHOẢNG CÁCH BẰNG cảm BIẾN SIÊU âm HIỂN THỊ TRÊN LCD

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 1/70 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG RƠ LE BẢO VỆ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐO KHOẢNG CÁCH BẰNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM HIỂN THỊ TRÊN LCD Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 2/70 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN VÀ NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN I Khái quát nhà máy điện Khái niệm điện Điện nhu cầu lượng thiếu gi ới Dựa vào khả sản xuất tiêu thụ điện mà có th ể bi ết phát tri ển cơng nghiệp nước Điện sản xuất nhiều cách khác tùy theo loại lượng mà người ta chia loại nhà máy như:  Nhà máy nhiệt điện  Nhà máy thủy điện  Nhà máy điện nguyên tử  Nhà máy điện gió  Nhà máy điện mặt trời  Nhà máy điện dùng thủy triều  Nhà máy điện địa nhiệt Hiện phổ biến nhà máy nhiệt điện, nhi ệt phát đ ốt nhiên liệu hữu như: than, dầu, khí đốt, vv,… bi ến đổi thành ện Trên giới nhà máy nhiệt điện sản xuất khoảng 70% ện Riêng Việt Nam lượng điện nhà máy nhiệt ện s ản xu ất chiếm tỷ lệ không nhỏ số điện toàn quốc Nhưng v ẫn phụ thuộc vào nguồn lượng dự trữ sẵn có, điều kiện kinh tế nh s ự phát triển khoa học kỹ thuật Trong thập kỉ gần nhu cầu nhiên liệu lỏng công nghiệp, giao thông vận tải sinh hoạt ngày tăng Do ng ười ta h ạn chế dùng nhiên liệu lỏng cho nhà máy nhiệt điện mà chủ y ếu ng ười ta s Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 3/70 dụng nhiên liệu rắn nhiên liệu khí trở thành nhiên liệu hữu c nhà máy nhiệt điện Hình 1-1 Sơ đồ cấu điện năm 2020 Phân loại nhà máy điện Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu hữu chia loại sau:  Phân loại theo loại nhiên liệu sử dụng:      Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu rắn  Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu lỏng  Nhà máy nhiệt điện đốt nhiên liệu khí  Nhà máy nhiệt điện đốt hai ba loại nhiên liệu (h ỗn hợp) Phân loại theo tuabin quay máy phát:  Nhà máy nhiệt điện tuabin  Nhà máy nhiệt điện tuabin khí  Nhà máy nhiệt điện tuabin khí - Phân loại theo dạng lượng cấp đi:  Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi: cung cấp điện  Trung tâm nhiệt điện: cung cấp điện vàì nhiệt Phân loại theo kết cấu công nghệ:  Nhà máy điện kiểu khối  Nhà máy điện kiểu khơng khối Phân loại theo tính chất mang tải:  Nhà máy nhiệt điện phụ tải gốc, có số sử dụng cơng suất đặt 5000 Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 4/70  Nhà máy nhiệt điện phụ tải giữa, có số sử dụng cơng su ất khoảng (3/4) 10  Nhà máy nhiệt điện phụ tải đỉnh, có số sử dụng công suất đặt khoảng 1500 II Nhà máy nhiệt điện Khái quát nhà máy nhiệt điện Nhà máy điện nhiệt nhà máy, hóa nhiên liệu biến thành nhiệt cấp nhiệt cho nước để biến thành N ước đun nóng, chuyển thành nước quay tua bin nước tuabin làm chạy máy phát điện Sau qua tuabin, nước ngưng tụ bình ngưng tu ần hồn lại đến nơi mà làm nóng, q trình g ọi chu trình Rankine Khác biệt lớn thiết kế nhà máy nhiệt ện nguồn nhiên liệu khác Một số nhà máy nhiệt ện cung c ấp lượng nhiệt cho mục đích cơng nghiệp, để sưởi ấm, để khử muối nước cung cấp lượng điện Một tỷ lệ lớn khí CO2 tạo từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch nhà máy nhiệt điện gây ảnh huởng lớn đến bầu khơng khí s ống người Vì nhà máy nhiệt điện ln hạn chế sử dụng cách tối ưu để giảm tác hại khí thải cơng nghiệp Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 5/70 Hình 1-2 Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải I Hình 1-3 Nhà máy nhiệt điện Mơng Dương Phân loại đặc tính chung nhà máy nhiệt điện Tùy vào mục đích sử dụng mà nhà máy nhiệt điện gồm loại:  Nhà máy nhiệt điện rút hơi: Một phần lượng dùng vào mục đích cơng nghiệp sinh hoạt vùng lân cận  Nhà máy nhiệt điện ngưng hơi: Là sử dụng tồn l ượng khí tạo phục vụ vào việc tạo điện Theo công suất nhà máy nhiệt điện có loại:  Nhiệt điện cơng suất nhỏ (dưới 1000MW): ng Bí, Na Dương, Bà Rịa, Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 6/70  Nhiệt điện công suất lớn (trên 1000MW): Phả Lại, Phú Mỹ, Cà Mau, Đặc tính nhà máy nhiệt điện  Ưu điểm: − Có khả xây dựng khu vực − Không bị giới hạn công suất lắp đặt Các cụm nhi ệt điện có th ể xây dựng với công suất lớn (hơn 1000MW) − Giá thành xây dựng nhà máy thấp thủy điện có cơng suất − Khơng phụ thuộc vào yếu tố thiên nhiên − Chủ động vận hành khơng phụ thuộc mưa hay nắng − Diện tích chiếm đất nhà máy nhiều so với thủy ện công suất  Khuyết điểm: − Đốt cháy nguyên liệu trình sản xuất ph ụ thu ộc vào nguồn cung nguyện liệu − Trong tình hình nguồn nguyên liệu ngày cạn ki ệt, giá thành cao ảnh hưởng lớn đến hoạt động nhà − Do sử dụng nguyên liệu nên giá thành sản xuất ện l ớn h ơn th ủy điện − Tính lính hoạt vận hành kém, thời gian khởi động chậm (6 – gi đạt công suất tối đa Do nhiệt điện thường chủ yếu chạy đáy bán đỉnh Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 7/70 Cấu tạo nhà máy nhiệt điện Hình 1-4 Cấu tạo thành phần nhà máy nhiệt điện Hình 1-5 Cấu tạo nhà máy nhiệt điện than 1) Ống khói 6) Lò 11) Tua-bin Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 8/70 2) Bể lắng cặn 7) Máy bơm nước 12) Máy phát điện 3) Máy nghiền 8) Bể chứa nước 4) Phễu nạp than 9) Bình ngưng 5) Cửa lấy xỉ than 10) Tháp làm mát  Các thiết bị nhà máy nhiệt điện Lò a) Khái niệm Lò thiết bị xảy q trình cháy nhiên li ệu, nhi ệt l ượng t ỏa biến nước thành hơi, biến lượng nhiên li ệu thành nhi ệt l ượng dòng Lò thiết bị có mặt gần tất xí nghi ệp, nhà máy, đ ể sản xuất nước phục vụ cho trình sản xuất điện nhà máy điện; phục vụ cho trình đun nấu, chưng cất dung d ịch, s s ản ph ẩm q trình cơng nghệ nhà máy hóa chất rượu, bia, thu ốc lá, ch ế biến nông sản dệt,… Nhiên liệu đốt lò thường nhiên liệu rắn than, c ủi, bã mía, nhiên lỏng dầu nặng (FO), dầu diezen nhiên liệu khí b) Cấu tạo lò Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 9/70 Hình 1-6 Cấu tạo lò c) Các đặc tính kỹ thuật lò hơi: − Thơng số lò: Đối với lò nhà máy điện, sản xuất h nhiệt nên thơng lò biểu áp suất nhi ệt đ ộ nhiệt: Pqn (Mpa),t qn ( C) − Sản lượng (công suất, suất) D: lượng sinh m ột đ ơn vị thời gian (kg/h, tấn/h, kg/s) Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 10/70  Sản lượng định mức D dm : Sản lượng lớn mà lò làm việc lâu dài thông số qui định  Sản lượng qui ước: Sản lượng sinh 100 C  Sản lượng cực đại: sản lượng lớn cho phép n ồi h lam việc tạm thời thời gian ngắn Dmax = (1.1 ÷ 1.2) D dm  Sản lượng kinh tế: ứng với nồi đạt công suất cao Thường D kt = (0.8 ÷ 0.9) D dm − Áp suất làm việc, nhiệt độ làm việc: bão hòa q nhi ệt Thơng số cao hiệu suất cao − Nhiệt thể tích buồng lửa qV = BQ lvt ,(W/m ) Vbl Trong đó: Q lvt : nhiệt lượng sinh Vbl : thể tích buồng lửa, ( m ), B (kg/s) − Năng suất bốc hơi: khả sinh đơn vị diện tích bề mặt đ ốt đơn vị thời gian ( kg/m h ) S= D ,(kg/m h) H Trong D: sản lượng lò (kg/h) H: diện tích bề mặt sinh (bề mặt đốt), ( m ) − Phụ tải nhiệt lò hơi: nhiệt lượng mà sinh cung cấp cho n sử dụng đơn vị thời gian (kJ/h, kcal/h, kW) − Hiệu suất lò ( η ): tỷ lệ nhiệt lượng nhận từ nước nhiệt lượng cấp vào cho lò Thơng thường hiệu suất nhiệt lò h lớn 80% Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 61/70 Hình 5-3 Xe tự động đo khoảng cách an tồn Hình 5-4 Xe tự động đo khoảng cách an toàn dừng xe III Tổng quan chung Siêu âm Siêu âm âm có tần số cao tần số tối đa mà tai người nghe th Tần số tối đa tùy vào người, thơng thường vào cỡ 20000 Hz Ngược lại với siêu âm có tần s ố thấp ngưỡng nghe b ởi tai người (thường khoảng 20Hz) hạ âm Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 62/70 Siêu âm lan truyền nhiều mơi trường tương tự môi trường lan truyền âm thanh, khơng khí, chất l ỏng rắn, v ới tốc độ tốc độ âm Do tốc độ lan truyền, có t ần s ố cao hơn, bước sóng siêu âm ngắn bước sóng âm Do siêu âm ứng dụng chẩn đốn hình ảnh y khoa Do khơng bị nhận bi ết bới người, sóng siêu âm dùng ứng dụn quan tr ắc khác, nh đo khoảng cách hay vận tốc Trong tự nhiên, nhiều loại động vật tạo cảm nhận đ ược siêu âm dơi, cá heo dùng sóng siêu âm để liên l ạc v ới nhau, đ ể săn m ồi hay định vị không gian Dựa việc quan sát quan sát hoạt động chúng, ta thấy nguyên tắc mà lồi vật sử dụng sóng âm đ ể định vị r ất đ ơn gi ản, có th ể tóm gọn bước sau:  Vật chủ phát sóng âm  Sóng âm va chạm với môi trường xung quanh phản xạ lại  Dựa vào thời gian phát/thu, khoảng cách vật chủ mơi tr ường xung quanh tính Theo nguyên tắc này, với tiến khoa học công nghệ hi ện đại, ta thấy ứng dụng sóng âm sống nhiều, kể đến thiết bị định vị biển tàu ngầm, thiết bị radar, thi ết bị đo khoảng cách môi trường đo độ sâu đại dương Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 63/70 Hình 5-5 Sóng siêu âm đời sống  Khái niệm cảm biến siêu âm Là loại cảm biến đo khoảng cách theo phương pháp thời gian truy ền, có cấu tạo gồm đầu phát vào đầu thu tín hiệu Hình 5-6 Cảm biến siêu âm SRF05 Chức chân sau:  Vcc: cấp nguồn cho cảm biến Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 64/70  Trigger: kích hoạt q trình phát sóng âm Q trình kích hoạt m ột chu kì điện cao/thấp diễn  Echo: bình thường trạng thái 0V, kích hoạt lên 5V có tín hiệu trả về, sau trở 0V  Gnd: nối với cực âm mạch  OUT: không sử dụng  Nguyên tắc TOF Sóng siêu âm truyền khơng khí với vận tốc khoảng 343m/s Để đo khoảng cách tới vật cần đo, phát (Trig) cảm biến xu ất m ột xung dài 10 μs , với tần số 40kHz Sóng âm truyền tới vật cần đo bị ph ản xạ lại thu tín hiệu (Echo) Qng đường di chuyển sóng b ằng l ần khoảng cách từ cảm biến đến vật, theo hướng phát sóng siêu âm Đ ược tính theo nguyên tắc TOF (Time of Flight): d= v.t Hình 5-7 Khoảng thời gian sóng phát thu lại Board Arduino Uno R3 Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 65/70 Hình 5-8 Board Arduino UNO Hình 5-9 Vi điều khiển Atmega328P-PU Màn hình LCD (Liquid Crystal Display) Màn hình LCD 16×2 (LCD1602) hình ký tự đơn s ắc, hi ển th ị ch ữ ASCII với dòng 16 cột, hiển thị 32 ký tự đồng thời Hình 5-10 Hình cấu trúc chân LCD − Các chân DB4-DB7 kết nối với P0-P3 PCF8574 Module I2C I2C module dùng cho LCD 16x2 giúp cho việc giao ti ếp v ới LCD tr nên d ễ dàng Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 66/70 Hình 5-11 Module I2C Buzzer − Buzzer loại thiết bị phát âm chuyển đổi tín hiệu âm thành âm Được sử dụng rộng rãi đồ chơi điện tử bảng điều ển trò chơi đồ chơi âm thanh, q tặng âm Hình 5-12 Còi buzzer IV Phần mềm lập trình Arduino  Các thiết bị dựa tảng Arduino lập trình ngơn ngữ riêng Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến dễ học, dễ hiểu Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 67/70 Hình 5-13 Giao diện cửa sổ ngôn ngữ Arduino  Arduino IDE phần mềm dùng để lập trình cho Arduino Mơi trường l ập trình Arduino IDE chạy tảng phổ biến hi ện Windows Do tính chất nguồn mở nên mơi trường lập trình hồn tồn miễn phí V Sơ đồ nguyên lý mạch Sơ đồ nguyên lý Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 68/70 Hình 5-14 Sơ đồ nguyên lý mạch Nguyên lý hoạt động mạch Cảm biến SRF05 phát sóng thu sóng va ch ạm vào v ật c ản truyền tín hiệu cho Arduino Uno R3 xử lý Sau xử lý, tín hi ệu truyền đến khối hiển thị Phần tín hiệu cảm bi ến siêu âm truyển qua hiển thị lên LCD I2C Sơ đồ khối Hình 5-15 Sơ đồ khối mạch Chức khối Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 69/70  Khối xử lý Nhận tín hiệu từ đầu vào cảm biến, phân tích xử lý tín hi ệu sau truyền sang khối hiển thị để hiển thị lên LCD  Khối cảm biến Tiếp xúc với mơi trường bên ngồi để thu thập tín hiệu tùy vào loại cảm biến mà ta sử dụng, sau truyền sang khối xử lý tín hi ệu  Khối hiển thị Tiếp nhận liệu từ khối xử lý sau xử lý để hi ển th ị lên hình LCD  Khối nguồn Hệ thống cấp nguồn từ PC thông qua cổng COM tiếp nhận liệu xử lý để hiển thị lên LCD Lưu đồ giải thuật Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 70/70 Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 71/70 Hình 5-16 Sơ đồ giải thuật mạch Mơ hình thực tế Hình 5-17 Mơ hình testbroad Hình 5-18 Mơ hình thực VI Kết luận Ưu nhược điểm mạch Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 72/70 a) Ưu điểm − Mạch chạy tương đối ổn định − Vùng cảm biến rộng khoảng cách phát vật thể lên đến vài (m) − Đo khoảng cách rời rạc vật di chuyển − Có thể phát vật thể suốt (vật liệu thủy tinh) b) Nhược điểm − Hệ thống vài lỗi nhỏ thay đổi âm di chuyển vật − Cần khoảng thời gian sau lần sóng phát đ ể sẵn sàng nhận sóng phản hồi thời gian tác động chậm dùng cảm biến khác Kết đạt − Xây dựng mơ hình mơ proteus − Chương trình điều khiển đo khoảng cách từ cảm biến − Các thành phần mạch điện hoạt động tốt: − Arduino hoạt động ổn định, không tự reset Hướng phát triển − Có thể tích hợp thêm nhiều cảm biến khác vào hệ th ống mạch như: c ảm biến độ ẩm, cảm biến nhiệt độ, thêm phận hiển thị giấc lên LCD … − Có thể nâng cấp lên thành hệ thống không dây để phù h ợp v ới nhu c ầu s dụng từ xa Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 73/70 PHỤ LỤC #include #include LiquidCrystal_I2C lcd (0x27, 16, 2); const int trig = 10; const int echo = 11; const int led1 = 3; const int led2 = 7; const int buzzer = 2; long t; float d; void setup() { Wire.begin(); lcd.init; lcd.backlight(); Serial.begin (9600); pinMode (trig, OUTPUT); pinMode (echo, INPUT); pinMode (led1, OUTPUT); pinMode (led2, OUTPUT); pinMode (buzzer, OUTPUT); lcd.begin(16, 2); lcd.setCursor (0, 0); lcd.print ("Truong TDT"); lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("Khoa Dien tu"); delay (1000); } void loop() { lcd.clear (); lcd.setCursor (0, 0); lcd.print ("Khoang cach vat"); digitalWrite (trig, LOW); delayMicroseconds (5); digitalWrite (trig, HIGH); delayMicroseconds (10); digitalWrite (trig, LOW); t = pulseIn (echo, HIGH); d = 0.034 * t/2; Nghiên cứu hệ thống rơ le bảo vệ nhà máy nhiệt điện thiết kế m ạch đo khoảng cách cảm biến siêu âm hiển thị LCD ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 74/70 lcd.setCursor (0, 1); lcd.print ("Cach vat"); lcd.setCursor (9,1); lcd.print(round(d)); lcd.print("cm"); delay (300); { } { if (d