Trong thời đại ngày nay, tự động hóa đóng vai trò cực kì quan trọng trong hầu hết các ngành sản xuất của nền kinh tế quốc dân. Đặc biệt là công nghiệp và sản xuất điện năng. Hệ thống tự động đóng một vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu quả kinh tế và đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng thời giải phóng sức lao động của con người. Đối với nhà máy nhiệt điện thì hệ thống tự động đóng một vai trò rất quan trọng trong quá trình sản xuất điện năng. Điều chỉnh tự động nhằm nâng cao hiệu suất của nhà máy bằng cách lựa chọn thông số cho bộ điều chỉnh phù hợp, chế độ làm việc tối ưu của thiết bị theo thông số đã quy định. Đặc biệt là hệ thống điều khiển tự động lò hơi của nhà máy nhiệt điện. Lò hơi là hệ thống không thể thiếu trong nhà máy nhiệt điện. Lò hơi là khu vực tiêu thụ đáng kể các loại nhiên liệu như than, dầu, khí đốt... Lò hơi, hệ thống phân phối hơi nước là hệ thống các đường ống, van và các thiết bị phụ có nhiệm vụ phân phối hơi nước tới các hộ tiêu thụ và giảm áp suất hơi nước đến áp suất cần thiết tại hộ tiêu thụ riêng biệt. Hơi nước sau khi sử dụng và trao đổi nhiệt cho các nhu cầu cần thiết thì biến đổi thành nước ngưng. Nước ngưng này có nhiệt độ cao và là nước sạch có thể được đưa trở lại lò hơi để biến đổi thành hơi. Như vậy, để tiết kiệm năng lượng trong hệ thống lò hơi, mạng nhiệt việc điều khiển các quá trình của lò hơi cũng thật cần thiết bao gồm việc tối ưu hóa quá trình cháy trong lò, tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt trong lò và giảm tổn thất nhiệt ra ngoài môi trường, tận dụng nhiệt thừa của khói thải. Trong khuôn khổ đồ án này, em nghiên cứu về “Điều khiển áp suất chân không buồng đốt và điều khiển hệ số oxy thừa trong khói thải của lò hơi nhà máy nhiệt điện”. Dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Huy Phương, em đã hoàn thành đề tài, song do trình độ và thời gian còn hạn chế vì vậy không tránh khỏi thiếu sót, kính mong các thầy cô trong Hội đồng bảo vệ bổ sung đóng góp ý kiến để đề tài được hoàn thiện tốt hơn.
GIỚI THIỆU NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN NINH BÌNH
Tổng quan chung về nhà máy nhiệt điện
Nhà máy điện Ninh Bình được khởi công xây dựng từ 15-3-1971, theo thiết kế, cung cấp thiết bị, giúp đỡ, hướng dẫn thi công lắp đặt của Trung Quốc
Nhà máy gồm 4 tổ máy, loại trung áp với tổng công suất là 100MW
Tháng 5-1972, máy bay Mỹ trực tiếp đánh bom vào nhà máy chính nên việc thi công phải tạm dừng Sau Hiệp định Paris (3-1973), nhà máy được tiếp tục thi công với tinh thần khẩn trương và sự giúp đỡ của chuyên gia Trung Quốc, lực lượng thi công xây lắp đã khắc phục được khó khăn, đẩy nhanh tiến độ Và đến ngày 17-01-1974, nhà máy điện Ninh Bình đã nhận được quyết định thành lập chính thức
Vào đúng ngày 19-5-1974, nhà máy hoà tổ máy số 1 vào lưới điện quốc gia Sau đó, các tổ máy còn lại cũng được hoà lưới, tổ máy số 2 vào ngày 21-12-1974, tổ máy số 3 ngày 9-11-1975 và tổ máy số 4 ngày 8-3-1976 Từ đây lưới điện miền Bắc có thêm thế mạnh về nguồn, góp phần tích cực vào sự nghiệp khôi phục nền kinh tế sau chiến tranh
Nhà máy điện Ninh Bình được thiết kế và thi công trong điều kiện chiến tranh ác liệt, dưới áp lực đòi hỏi tăng cường nguồn cho lưới điện miền Bắc Chính vì vậy, nhằm đảm bảo an toàn cho sản xuất mà nhà máy được đặt sát chân núi, có một phần ngầm dưới lòng đất(-7m) Điều này gây không ít khó khăn cho công tác quản lý vận hành
Bên cạnh nhiệm vụ chính là sản xuất điện năng, từ năm 1988 với cơ chế đổi mới cơ cấu quản lý kinh tế nhiều thành phần, nhà máy đã hình thành các hình thức sản xuất khác như sản xuất đất đèn, gạch bảo ôn,… và đưa một số tổ chức sản xuất khác sang hoạt động theo cơ chế thị trường, giải quyết được 350 lao động dôi dư từ sản xuất chính có việc làm
Khi Đảng và nhà nước quyết định xây dựng đường dây 500 kV bắc Nam để đưa điện vào các tỉnh miền Trung, Nam, để đáp ứng được nguồn cho các tỉnh miền Bắc, nhà máy điện Ninh Bình đã được Nhà nước, Bộ Năng lượng cho phép đại tu, phục hồi và nâng cấp thiết bị nhằm phát huy được công suất thiết kế
Trong những năm vừa qua, nhà máy đã giải quyết được nhiều việc lớn như mở rộng nhà lán than khô, lắp đặt cầu trục than mới để nâng cao lượng dự trữ than và cấp than khí vận hành ở công suất cao Năm 1996, đại tu và phục hồi xong lò 3, lò 1, lò 4, máy 3 và máy 2, thay 4 bộ kích thích quay của 4 máy phát bằng 4 bộ kích thích tĩnh của Trung Quốc chế tạo… Hiện nay, nhà máy luôn vận hành ở công suất thiết kế
Năm 1997, nhà máy tiếp tục đại tu, phục hồi lò 2, máy 4 và máy 1, hoàn tất thủ tục để xây dựng ống khói cao 130m, thay bộ lọc bụi cũ bằng bộ khử bụi tĩnh điện để giữ sạch môi trường
Nhà máy điện Ninh Bình đã được Đảng và Nhà nước trao tặng: 4 huân chương lao động hạng II và III, 9 cờ thưởng của Chủ tịch nước, 31 cờ thưởng của Hội đồng Bộ trưởng, tổng liên đoàn lao động Việt Nam, Bộ trưởng,…
Giới thiệu về tổ máy
Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống nhà máy nhiệt điện
Thông số kỹ thuật của tổ máy:
Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của tổ máy
Năng suất hơi : 130 Tấn/h Áp suất trong bao hơi : 44 Kg/cm 2 Áp suất hơi ra lò : 40 Kg/cm 2
Nhiệt độ hơi quá nhiệt : 450 ℃
Công suất định mức : 25MW Áp suất hơi vào Turbine : 36 Kg/cm 2
Nhiệt độ hơi vào turbine : 435℃
Diện tích hấp thụ nhiệt : 541,4 m 2
Nhiệt thế thể tích buồng lửa : 112000 kcal/m 3 h
Chu trình hoạt động của tổ máy: Để quay hệ thống tua bin của máy phát điện người ta dùng hơi nước có nhiệt độ và áp suất cao Hơi nước sau khi qua tua bin được đưa qua hệ thống ngưng tụ để ngưng tụ thành nước (bình ngưng) Tại đây áp suất và nhiệt độ của nước giảm xuống Trong quá trình hoạt động do chêch áp suất trong và ngoài tại tua bin hạ áp nên không khí xâm nhập vào tua bin làm cho hơi nước có lẫn không khí Nước tại bình ngưng sẽ được đưa qua bộ khử khí sau đó được bơm lên giàn làm ấm nước (bộ hâm) đặt tại cuối nhánh ra của lò mục đích là tiết kiệm năng lượng đun nóng Bơm được sử dụng là bơm cao áp nhiều tầng Nước tại giàn này sẽ được cấp trực tiếp cho bao hơi Nước ngưng trong bao hơi sẽ chảy tự nhiên xuống giàn hóa hơi dưới tác dụng của trọng lực Sức nóng của lò hơi làm cho nước sẽ bay hơi Hơi nước bão hòa sẽ được trả về lại cho bao hơi Hơi được dẫn qua tua bin cao áp làm cho tua bin quay Tua bin quay sẽ làm cho máy phát điện quay Khi đó hơi nước qua tua bin lại được đưa qua hệ thống ngưng tụ để thành nước Một chu trình mới lặp lại và chu trình này được gọi là Chu trình Rankine Nhánh ra của lò hơi được đưa qua hệ thống lọc bụi tĩnh điện để loại bỏ bụi và xử lý sạch trước khi thải ra môi trường
Tuy nhiên một nhà máy hoạt động theo chu trình này sẽ có hiệu suất thấp (chỉ từ 20 - 25%) do đó để nâng cao hiệu suất toàn nhà máy thì người ta cải tiến như sau:
• Đưa hơi nước bão hòa thành hơi quá nhiệt
• Tái quá nhiệt hơi sau khi đi qua tua bin trung áp
• Trích hơi ra của tuabin Đưa hơi nước bão hòa thành hơi quá nhiệt
Hơi nước bão hòa còn mang hơi ẩm do đó khi đưa vào tua bin nó sẽ làm rỗ cánh tua bin, lâu dài sẽ làm hư hỏng cánh tua bin Vì thế trước khi đưa vào tua bin cao áp, hơi bão hòa sẽ được đưa qua giàn gia nhiệt thành hơi quá nhiệt, sau đó hơi quá nhiệt mới được đưa vào tua bin cao áp
Tái quá nhiệt hơi sau khi đi qua tua bin trung áp
Nhiệt độ của hơi nước sẽ giảm dần khi đi từ tua bin cao áp sang tua bin trung áp, rồi qua tua bin hạ áp Hơi quá nhiệt đi qua tua bin cao áp, nhiệt độ của hơi sẽ giảm xuống so với hơi quá nhiệt khi đó hiệu suất sẽ giảm Để nâng cao hiệu suất, người ta tái hơi quá nhiệt này rồi mới đưa trở lại vào tua bin trung áp
Trích hơi ra của tuabin
Hơi tại các cửa trích của tua bin sẽ được đưa vào các bộ gia nhiệt hạ và gia nhiệt cao nhằm mục đích là nâng cao nhiệt độ của nước cấp, tận dụng tối đa năng lượng của nhà máy Thêm nữa nâng cao quá trình ngưng tụ hơi thì nước lạnh được bơm từ ngoài vào đi qua giàn ngưng tụ để làm mát cho giàn
Toàn bộ cải tiến trên giúp tăng hiệu suất cho nhà máy lên đến 40- 45% Nâng cao đáng kể hiệu suất so với các nhà máy chỉ dùng chu trình Rankine Hầu hết các nhà máy nhiệt điện hiện nay đều dùng các cải tiến này để nâng cao hiệu suất cho nhà máy.
Thiết bị trong nhà máy
Trong khuôn khổ đồ án em sẽ chỉ nói về những thiết bị liên quan đến buồng đốt trong lò hơi của nhà máy nhiệt điện
Trong nhà máy nhiệt điện, lò hơi là bộ phận quan trọng nhất của nhà máy Lò hơi là thiết bị trong đó xảy ra quá trình đốt cháy nhiên liệu, nhiệt lượng tỏa ra sẽ biến thành hơi, biến năng lượng của nhiên liệu thành nhiệt năng của dòng hơi, lò hơi làm nhiệm vụ chuyển hóa năng lượng
Hình 1.2 Minh hoạ cấu trúc của lò hơi
Lò hơi là thiết bị sinh hơi thực hiện hai nhiệm vụ chính:
- Chuyển hóa năng lượng của nhiên liệu trong buồng đốt thành nhiệt năng
- Truyền nhiệt năng cho các chất tải nhiệt - môi chất và thông qua hệ thống ống dẫn đưa môi chất tới các công đoạn sản xuất phía sau Thường trong lò hơi chất tải nhiệt là nước được gia nhiệt thành hơi bão hòa hoặc hơi quá nhiệt
Trên Hình 1.2 giới thiệu cấu tạo cơ bản của một lò hơi Lò hơi gồm hai thành phần: hệ thống biến đổi nước - hơi nước (phần hóa hơi), hệ thống biến đổi nhiên liệu - không khí - khí thải (phần gia nhiệt - phần đốt) Trong phần hóa hơi, đầu vào là nước, đầu ra là hơi, ở giữa xảy ra quá trình hấp thu nhiệt của nước, khi nhiệt độ đạt đến điểm hóa hơi sẽ bắt đầu sinh ra hơi Tại phần đốt, trước khi vào buồng đốt, nhiên liệu được trộn với không khí theo tỷ lệ thích hợp để đạt được hiệu suất cháy tối ưu Nhiệt lượng tỏa ra sẽ được một hệ thống ống dẫn nước hấp thu để gia nhiệt cho nước Khí thải của quá trình đốt hỗn hợp nhiên liệu và không khí vẫn còn tích một lượng lớn nhiệt, do đó trên đường dẫn khí thải được bố trí thêm các cơ cấu trao đổi nhiệt với đường ống dẫn nước và đường dẫn khí vào Việc gia nhiệt cho không khí có tác dụng giảm mức tổn hao nhiên liệu cung cấp cho quá trình cháy
Lò hơi bao gồm các bộ phận chính sau: Bao hơi, van hơi chính, đường nước cấp, đường cấp nhiên liệu, buồng lửa là không gian để đốt cháy tất cả nhiên liệu cấp vào lò, phễu tro lạnh để làm nguội các hạt tro xỉ trước khi thải ra ngoài trong trương hợp thải xỉ khô, giếng xỉ để hứng tất cả xỉ thải ra ngoài, bơm nước cấp, ống khói, bộ sấy không khí, quạt gió, bộ hâm nước, dàn ống nước xuống, dàn ống nước lên, dãy feston - dàn ống sinh hơi và bộ quá nhiệt, bộ lọc bụi để tránh mài mòn cánh quạt khói
Lò hơi được sử dụng trong nhà máy nhiệt điện Ninh Bình là lò hơi kiểu SG – 130 –
40 – 450 (nhà sản xuất Trung Quốc) Được cung cấp để sản xuất hơi quá nhiệt từ việc đốt than Antraxite của Việt Nam Lò hơi được thiết kế để vận hành cùng Turbine hơi có công suất 25MW
Bảng 1.2 Bảng thông số kỹ thuật cơ bản của lò hơi
Công suất hơi T/h ( Tấn /giờ) 130
Các thông số hơi làm việc ở công suất định mức
• Áp suất trong bao hơi Kgf/cm 2 44
• Áp suất hơi ra khỏi lò Kgf/cm 2 40
Nhiệt trị thấp của nhiên liệu Kcal/kg 5500
Tổng lượng than tiêu thụ T/h 16,3
Nhiệt độ của nước cấp ℃ 172
Nhiệt độ khói thải ra khỏi lò ℃ 250
Hệ số không khí thừa α 1,25
Hiệu suất của lò hơi ở 85% công suất hơi danh định % 90,1
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò hơi
Nhiên liệu và không khí được phun qua vòi phun số 1 vào buồng lửa số 2, tạo thành hỗn hợp cháy và được đốt cháy trong buồng lửa, nhiệt độ ngọn lửa có thể đạt tới 1.900
0C Nhiệt lượng tỏa ra khi nhiên liệu cháy truyền cho nước trong dàn ống sinh hơi 5, nước tăng dần nhiệt độ đến sôi, biến thành hơi bão hòa Hơi bão hòa theo ống sinh hơi 5 đi lên, tập trung vào bao hơi số 15 Trong bao hơi số 15, hơi được phân li ra khỏi nước, nước tiếp tục đi xuống theo ống xuống 16 đặt ngoài tường lò rồi lại sang ống sinh hơi số
5 để tiếp tục nhận nhiệt Hơi bão hòa từ bao hơi số 15 sẽ đi qua ống góp hơi số 17 vào các ống xoắn của bộ quá nhiệt số 6 Ở bộ quá nhiệt số 6, hơi bão hòa chuyển động trong các ống xoắn sẽ nhận nhiệt từ khói nóng chuyển động phía ngoài ống để biến thành hơi quá nhiệt có nhiệt độ cao hơn và đi vào ống góp để sang tua bin hơi và biến đổi nhiệt năng thành cơ năng làm quay tua bin
Hình 1.3 Nguyên lý cấu tạo của lò hơi
1.Vòi phun nhiên liệu + không khí; 2 Buồng đốt; 3 phễu tro lạnh; 4 Đáy thải xỉ; 5 Dàn ống sinh hơi; 6 Bộ quá nhiệt bức xạ; 7 Bộ quá nhiệt nửa bức xạ; 8 Ống hơi lên; 9 Bộ quá nhiệt đối lưu; 10 Bộ hâm nước; 11.Bộ sấy không khí; 12 Bộ khử bụi; 13 Quạt khói; 14 Quạt gió;
15 Bao hơi; 16 Ống nước xuống; 17 Ống góp nước;
9 Ở đây, ống sinh hơi số 5 đặt phía trong tường lò nên môi chất trong ống nhận nhiệt và sinh hơi liên tục do đó trong ống ống sinh hơi 5 là hỗn hợp hơi và nước, còn ống xuống 16 đặt ngoài tường lò nên môi chất trong ống 16 không nhận nhiệt do đó trong ống
16 là nước Khối lượng riêng của hỗn hợp hơi và nước trong ống 5 nhỏ hơn khối lượng riêng của nước trong ống xuống 16 nên hỗn hợp trong ống 5 đi lên, còn nước trong ống
16 đi xuống liên tục tạo nên quá trình tuần hoàn tự nhiên, bởi vậy lò hơi loại này được gọi là lò hơi tuần hoàn tự nhiên
Buồng lửa trình bày trên là buồng lửa phun, nhiên liêu được phun vào và cháy lơ lửng trong buồng lửa Quá trình cháy nhiên liệu xãy ra trong buồng lứa và đạt đến nhiệt độ rất cao, từ 1300 0 C đến 1900 0 C, chính vì vậy hiệu quả trao đổi nhiệt bức xạ giữa ngọn lửa và dàn ống sinh hơi rất cao và lượng nhiệt dàn ống sinh hơi thu được từ ngọn lửa chủ yếu là do trao đổi nhiệt bức xạ Để hấp thu có hiệu quả nhiệt lượng bức xạ của ngọn lửa đồng thời bảo vệ tường lò khỏi tác dụng của nhiệt độ cao và những ảnh hưởng xấu của tro nóng chảy, người ta bố trí các dàn ống sinh hơi 5 xung quanh tường buồng lửa
Khói ra khỏi buồng lửa, trước khi vào bộ quá nhiệt đã được làm nguội một phần ở cụm phecston, ở đây khói chuyển động ngoài ống truyền nhiệt cho hỗn hợp hơi nước chuyển động trong ống Khói ra khỏi bộ quá nhiệt có nhiệt độ còn cao, để tận dụng phần nhiệt thừa của khói khi ra khỏi bộ quá nhiệt, ở phần đuôi lò người ta đặt thêm bộ hâm nước và bộ sấy không khí
Bộ hâm nước có nhiệm vụ gia nhiệt cho nước để nâng nhiệt độ của nước từ nhiệt độ ra khỏi bình gia nhiệt lên đến nhiệt độ sôi và cấp vào bao hơi 15 Sự có mặt của bộ hâm nước sẽ làm giảm tổng diện tích bề mặt đốt của lò hơi và sử dụng triệt để hơn nhiệt lượng tỏa ra khi cháy nhiên liệu, làm cho nhiệt độ khói thoát khỏi lò giảm xuống, làm tăng hiệu suất của lò Không khí lạnh từ ngoài trời được quạt gió 14 hút vào và thổi qua bộ sấy không khí 11 Ở bộ sấy, không khí nhận nhiệt của khói, nhiệt độ được nâng từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ yêu cầu và được đưa vào vòi phun số 1 để cung cấp cho quá trình đốt cháy nhiên liệu Như vậy bộ hâm nước và bộ sấy không khí đã hoàn trả lại buồng lửa một phần nhiệt đáng lẽ bị thải ra ngoài Chính vì vậy người ta còn gọi bộ hâm nước và bộ sấy không khí là bộ tiết kiệm nhiệt
• Các đặc tính kỹ thuật của buồng đốt:
Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của buồng đốt
Hệ số không khí thừa α 1,25
Nhiệt độ không khí lạnh ℃ 35
Nhiệt độ không khí sau bộ sấy không khí ℃ 200
Nhiệt độ trung bình trong buồng lửa ℃ 1500
Nhiệt độ nhiên liệu trước khi vào lò ℃ 35
Nhiệt độ khói ra khỏi buồng lửa ℃ 1050
Diện tích hấp thụ nhiệt m 2 541,4
Nhiệt thế thể tích buồng lửa kcal/m 3 h 112000
Tổn thất do khói mang theo q2 % 5,48
Tổn thất do cháy không hết về hóa học q3 % 0
Tổn thất do cháy không hết về cơ học q4 % 4
Tổn thất do tỏa ra môi trường xung quanh q5 % 0,4
Tổn thất do xỉ bay theo khói q6 % 0
• Các thông số của nhiên liệu:
Nhiên liệu đốt: Than cám 5A Hòn Gai
- Nhiệt trị của nhiên liệu: 𝑄 𝑙𝑣 𝑡 = 5500kcal/kg
Với thông số làm việc như trên, thể tích để đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu là:
Hệ số không khí thừa là 1,25 Vậy thể tích không khí cẩn thiết là:
Thể tích khói sinh ra sau khi đốt cháy 1kg nhiên liệu với hệ số không khí thừa là:
Từ đây ta có hệ số
• Các trị giới hạn được bảo vệ quy định đối với áp suất buồng đốt:
Bảng 1.4 Trị giới hạn bảo vệ áp suất buồng đốt
Tên LL L N H HH Ghi chú Áp suất buồng đốt, Pa
HH/LL: Boiler MFT Điểm làm việc của áp suất buồng đốt là -100Pa Khi áp suất giảm xuống - 2000Pa hoặc tăng lên 1000Pa, sẽ có cảnh báo mức áp suất thấp hoặc cao Khi mức áp suất giảm xuống -2500Pa (quá thấp), hoặc tăng lên 4000Pa (quá cao), MFT (Master Fuel Trip) sẽ ngắt
• Thành phần oxy thừa trong khói thải tương ứng với tải
Bảng 1.5 Nồng độ Oxy thừa trong khói thải tương ứng tải
Thành phần Oxy trong khói 5,4 4,2 4
Quá trình cháy trong buồng đốt lò hơi
Nhiên liệu là những vật chất khi cháy tỏa ra nhiệt năng Trong công nghiệp, nhiên liệu phải đạt được các yêu cầu sau: có nhiều trong tự nhiên, dễ khai thác, giá thành rẻ, khi cháy không sinh ra những chất nguy hiểm Ngày nay, nhiên liệu chủ yếu là nhiên liệu hữu cơ dưới ba dạng rắn, lỏng, khí Những nhiên liệu này có thể có sẵn trong tự nhiên hoặc nhân tạo Từ khi đưa vào buồng đốt đến khi đốt cháy hết nhiên liệu đã trải qua một quá trình thay đổi về vật lý và hóa học rất phức tạp xen kẽ lẫn nhau
Cháy là quá trình phản ứng hóa học giữa oxy và các thành phần cháy được có tỏa nhiều nhiệt và ánh sáng Tốc độ cháy phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ chất cháy được Ở một nhiệt độ nhất định, tốc độ cháy phụ thuộc vào nồng độ chất cháy được trong hỗn hợp nhiên liệu và không khí Nồng độ thấp, tốc độ cháy chậm; nồng độ cao, tốc độ cháy nhanh Còn ở một nồng độ nhất định, tốc độ cháy phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, ảnh hưởng của nhiệt độ đối với quá trình cháy lớn hơn rất nhiều ảnh hưởng của nồng độ Nhiệt độ bắt lửa của các loại nhiên liệu không giống nhau
Sau khi bắt lửa, tốc độ cháy càng mãnh liệt, tuy nồng độ chất cháy giảm dần; đó là do nhiệt độ buồng lửa tăng cao Cho đến khi cháy hết khoảng 80% đến 90% chất cháy được thì phản ứng mới giảm dần tốc độ
Như vậy để nhiên liệu có thể cháy triệt để cần có các điều kiện sau:
• Áp suất buồng đốt ở giá trị âm thích hợp
• Nhiệt độ đủ cao, nhiệt độ càng cao thì quá trình cháy càng tốt
• Hệ số không khí thừa thích hợp, quá nhỏ thì không đủ oxy, quá lớn làm cho nhiệt độ giảm xuống
• Thời gian lưu lại trong buồng lửa của nhiên liệu đủ dài
Tuy nhiên các điều kiện trên không phải có tác dụng riêng rẽ mà có ảnh hưởng lẫn nhau rất nhiều
Nếu áp suất buồng lửa không đạt giá trị âm sẽ dẫn đến hiện tượng lửa và khói bị phì ra ngoài, gây nên tổn thất nhiệt rất lớn dẫn đến hiệu suất của buồng đốt giảm, ngược lại khi áp suất trở nên quá âm, ngọn lửa sẽ bị kéo dài lên phía trên, gây nên sự không đồng đều về nhiệt trong buồng đốt, tổn lại đến các thiết bị phía trên lò Nhiệt độ trong buồng lửa thấp thì phản ứng cháy chậm, đòi hỏi thời gian lưu lại trong buồng lửa dài thì hạt nhiên liệu mới kịp cháy hết trước khi ra khỏi buồng lửa Nếu nhiệt độ trong buồng lửa càng cao, phản ứng càng nhanh thì thời gian lưu lại trong buồng lửa không cần dài cũng có thể cháy hoàn toàn được Hơn nữa khi phản ứng cháy diễn ra càng nhanh, nhiệt lượng tỏa ra càng nhiều, nhiệt độ lại càng cao thì đòi hỏi thời gian lưu lại trong buồng lửa lại càng ngắn
Hệ số không khí thừa có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy, vì nó có ảnh hưởng rất lớn đến nhiệt độ trong buồng lửa Nhiệt độ buồng lửa không chỉ phụ thuộc vào số lượng và chất lượng nhiên liệu đưa vào mà còn phụ thuộc rất nhiều vào lượng không khí và khả năng tiếp xúc giữa không khí với nhiên liệu
Nếu không khí đưa vào vừa đủ, tức hệ số tại điểm làm việc tối ưu α = 1,25, đồng thời hỗn hợp tốt thì nhiệt lượng tỏa ra ứng với 1 kg hỗn hợp nhiên liệu và không khí là lớn nhất (Hình 1.4)
Hình 1.4 Quan hệ giữa nhiệt lượng tỏa ra với hệ số không khí thừa α
Nếu thiếu không khí, tức là α < 1,1 thì phản ứng cháy không hoàn toàn, nhiệt lượng tỏa ra ít hơn Nếu α > 1,5 thì hỗn hợp loãng, lượng nhiên liệu trong 1 kg hỗn hợp ít, nên nhiệt lượng phát ra ít, nhiệt độ trong buồng lửa thấp, cháy chậm và dễ cháy không hoàn toàn
Giữa nhiên liệu và lượng không khí cần thiết để đốt cháy nhiên liệu luôn có một mối quan hệ xác định, trong thực tế để đốt cháy hoàn toàn được nhiên liệu thì lượng không khí thực tế đưa vào buồng đốt phải lớn hơn lượng không khí tính toán lý thuyết từ 10-50% (ứng với hệ số không khí thừa α = 1,1-1,5) Tuy nhiên, lượng không khí cũng phải được cấp một cách hợp lý để đảm bảo tổng tổn thất nhiệt của lò hơi là nhỏ nhất
Việc chọn hệ số không khí thừa thích hợp thường dựa theo kinh nghiệm và thực nghiệm, tùy theo loại nhiên liệu, cách đốt cũng như hình dạng và kích thước buồng lửa Không khí có thể đưa vào cùng một lúc với nhiên liệu hoặc đi qua lớp nhiên liệu, lượng không khí này thường gọi là gió cấp một, cũng có thể đưa riêng thêm sau để cháy kiệt nhiên liệu, cải thiện quá trình cháy, lượng không khí này thường được gọi là gió cấp hai
Tỉ lệ gió cấp một và cấp hai cũng phụ thuộc vào tính chất của nhiên liệu và cách đốt
Hiện nay thì các nhà máy thường sử dụng biến tần để điều khiển tốc độ quạt thích hợp, nhưng do trong giới hạn của đồ án và để đơn giản hoá em sẽ sử dụng phương pháp cũ là cho tốc độ quạt giữ nguyên ở định mức và đi đến điều khiển độ mở van của hai quạt FD và ID
Hình 1.5 Sơ đồ khối hệ điều khiển độ mở van cánh hướng
Trong sơ đồ trên, một thiết bị đo sự sai lệch giữa tín hiệu đặt và tín hiệu đo lường vị trí, biên độ của tín hiệu sai lệch được khuếch đại đến điều khiển động cơ Chiều quay của động cơ tùy thuộc vào dấu của tín hiệu sai lệch Động cơ có 2 chế độ điều khiển: Điều khiển bằng tay hoặc tự động và có nút chuyển đổi giữa 2 chế độ này.
Kết luận chương 1
Trong phần chương 1 đã trình bày sơ qua về nhà máy nhiệt điện để mọi người nắm được sự tổng quan nhất của lò hơi và quá trình cháy trong buồng đốt Trong khuôn khổ của đồ án này, ta sẽ nghiên cứu để thiết kế bộ điều chỉnh cấp không khí vào và hút khói ra cho buồng đốt, từ đó đảm bảo được tỷ lệ hệ số không khí thừa và áp suất buồng đốt đạt ở mức ổn định, phù hợp để đạt được chất lượng cháy tối ưu, giảm bớt được nhiên liệu tiêu hao không cần thiết
Như vậy mục tiêu của đồ án là thiết kế bộ điều khiển để điều khiển quá trình cháy diễn ra trong buồng lửa của nhà máy nhiệt điện Ninh Bình Trong đó tín hiệu đầu vào là hệ số 𝑂 2 thừa trong khói thải và áp suất âm buồng đốt, tín hiệu ra là tín hiệu điều khiển độ mở van quạt khói ID và quạt gió FD
MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH CHÁY VÀ TÍNH CHỌN THIẾT BỊ
Hệ điều chỉnh hệ số oxy thừa khói thải và áp suất buồng đốt
Trong hệ điều khiển, điểm đặt là nồng độ oxy trong khói thải, để đảm bảo cháy hết lượng nhiên liệu đã cung cấp vào buồng đốt Bộ điều chỉnh phụ tải điều chỉnh độ mở của van của quạt gió để cấp không khí sẽ điều chỉnh cánh hướng quạt gió (gió cấp II–cung cấp oxi cho quá trình cháy trong buồng đốt) để duy trì sự cháy và nồng độ oxy khói thải theo yêu cầu Lượng 𝑂 2 trong khói sẽ tăng khi lượng không khí thừa tăng, nồng độ 𝑂 2 trong khói sẽ được đưa vào bộ điều chỉnh rồi điều chỉnh độ mở van quạt gió cung cấp không khí đưa vào buồng đốt cho phù hợp
Mặt khác trong một lò hơi nói chung ngoài việc duy trì sự cháy phải quan tâm đến việc điều khiển áp lực buồng lửa Bộ điều chỉnh chân không buồng đốt có nhiệm vụ duy trì chân không buồng đốt ở mức ổn định để chế độ cháy của lò là tối ưu nhất, đảm bảo an toàn cho người và thiết bị ở xung quanh lò, đồng thời nâng cao hiệu suất lò
Việc điều chỉnh hệ số Oxy thừa trong khói thải và áp suất buồng lửa bằng cách điều chỉnh van cánh hướng của quạt gió và quạt khói Trong đó:
- Quạt khói làm nhiệm vụ thay đổi lượng khói hút từ lò để duy trì áp suất buồng đốt tại một hằng số Khi tải lò thay đổi thì tín hiệu yêu cầu lưu lượng gió thay đổi để đáp ứng nhu cầu tải, tuy nhiên quạt hút khói không đáp ứng kịp sự thay đổi này làm áp suất trong
16 buồng đốt dao động Lúc này sự thay đổi lưu lượng gió đóng vai trò như một tín hiệu nhiễu đối với hệ thống điều khiển áp suất chân không buồng đốt Tương tự như vậy đối với quạt gió và lượng oxy trong khói thải buồng đốt
- Bộ điều chỉnh có tác dụng ổn định lượng oxy trong khói thải và áp suất chân không buồng đốt Bộ điều chỉnh nhận các tín hiệu vào: lượng oxy thừa (%), áp suất trong buồng đốt (Pa), sự thay đổi lưu lượng không khí cấp vào buồng đốt Các tín hiệu ra tác động đến cơ cấu chấp hành là độ mở van cánh hướng quạt để cân bằng lượng khói ra và không khí vào để ổn định hệ số Oxy thừa và áp suất trong buồng lửa Với mỗi một độ mở cánh hướng của van điều chỉnh ta có một lưu lượng gió, khói đi qua Khi góc mở của cánh hướng giảm đi thì lưu lượng gió, khói qua nó sẽ giảm và ngược lại Đặc tính lưu lượng-độ mở van cánh hướng là phi tuyến, ở vị trí cánh hướng gần đóng hoàn toàn thì một sự thay đổi nhỏ của góc mở cũng gây ra sự thay đổi lớn về lưu lượng gió vào và khói thoát Ở vị trí cánh hướng gần mở hoàn toàn thì một sự thay đổi lớn góc mở cũng chỉ gây ra một sự thay đổi nhỏ đến lưu lượng Để điều khiển lưu lượng gió, khói chính xác, mối quan hệ giữa lưu lượng và tín hiệu điều khiển phải có đặc tính tuyến tính Một phương pháp đơn giản được sử dụng là sử dụng cơ cấu điều khiển cánh hướng của van dựa vào khớp nối và góc quay gọi là hệ thống liên kết góc quay Góc quay của cánh hướng khi đó phụ thuộc vào góc quay và kích thước của liên kết khớp nối của cơ cấu
Hình 2.2 Cơ cấu điều khiển van cánh hướng
Cơ cấu điều khiển van cánh hướng sử dụng động cơ điện linh hoạt hơn hệ điều khiển bằng khí nén (việc dừng chuyển động của pittông là khó khăn do chuyển động của pittông do chênh lệch áp suất tạo bởi khí nén), do đó thường được sử dụng hơn Chuyển động quay tròn của động cơ thông qua một số chuyển cơ cấu chuyển đổi thành chuyển động góc quay khá thuận tiện Ta có sơ đồ khối hệ thống điện điều khiển độ mở van như sau:
Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mở van
Khi có sự thay đổi lưu lượng không khí, sai lệch tín hiệu vào bộ điều sẽ mất cân bằng, bộ điều chỉnh sẽ tạo tín hiệu điều khiển vào cơ cấu điều chỉnh của hệ thống các lá chắn quạt, làm thay đổi độ mở của các lá chắn dẫn đến thay đổi lưu lượng để duy trì hệ số Oxy thừa và áp suất âm buồng đốt ở dải cho phép Tức là khi tăng lưu lượng gió vào lò thì bộ điều chỉnh chân không buồng đốt sẽ tự động điều chỉnh mở lá chắn để tăng lưu lượng khói hút ra và ngược lại, khi tăng lưu lượng khói hút ra thì bộ điều chỉnh Oxy sẽ tự động mở lá chắn để tăng lưu lượng không khí cấp vào.
Tính chọn các thiết bị đo và chấp hành
❖ Cảm biến đo áp suất âm buồng đốt:
Bảng 2.1 Bảng phân loại các thiết bị đo áp suất
Loại Định nghĩa Ứng dụng
Gauge Tham chiếu với áp suất khí quyển tại điểm lắp đặt
Sealed Tham chiếu đến một buồng đóng kín với áp suất khí quyển ( tương đương 1bar)
- Thực phẩm và đồ uống
Absolute Tham chiếu với chân không tuyệt đối
- Thời tiết và khí tượng
Different Đo sự chênh lệch giữa áp suất đặt và áp suất đầu vào
- Giám sát bộ lọc và bơm
- Hệ thống thông gió và sưởi ấm HVAC
Em chọn loại cảm biến chênh áp (Different) cho đề tài đồ này này, do loại cảm biến này chịu được môi trường làm việc khắc nghiệt của buồng đốt dưới áp lực và nhiệt độ rất cao Mặt khác do vị trì lắp đặt cảm biến bên ngoài buồng đốt sẽ tạo cách nhìn trực quan và tin cậy hơn, qua đó giúp dễ dàng hơn trong việc lắp đặt, bảo trì Cụ thể loại cảm biến em chọn là cảm biến loại APT3100
Tên cảm biến: APT3100 code D
• Dải đo từ -500 -500Pa (set giá trị tham chiếu là áp suất khí quyển)
• Độ chính xác ±0,075% trên toàn dải đo
• Ngõ ra 4-20mA, điện áp vào 24VDC
• Nhiệt độ hoạt động: -40 to 85℃
• Có LCD chỉ thị kết quả hoặc theo dõi từ xa thông qua BRAIN hoặc truyền thông HART
• Tín hiệu vào là áp suất đo được từ -500 – 500Pa, ngõ ra điện áp 4 – 20mA (0-
• T là thời gian trễ của cảm biến lấy 0.05s
• 𝜏 là thời gian trễ từ đầu đo cảm biến áp suất đến bộ điều khiển lấy 1,2s
Hình 2.4 Cảm biến đo áp suất APT3100
Hình 2.5 Sơ đồ kết nối tín hiệu, nguồn và giao thức HART cho cảm biến
- Để thực hiện truyền thông HART cần vòng lặp kháng giữa 250-550(Ohm)
- Điện áp nguồn vào từ 12-45VDC
- Điện áp định mức làm việc: 24±30%
❖ Cảm biến đo nồng độ oxy khói thải:
Tên cảm biến: Zirconia O2 Sensors Thông số kỹ thuật:
• Ngõ vào điện áp 24VDC, Ngõ ra 4-20mA hoặc RS232
• Dải đo nồng độ O2 trong không khí: 0,1-21%
• Nhiệt độ làm việc ở đầu đo: -100℃- 400℃
• Tín hiệu vào là nồng độ oxy đo được từ 0-21%, ngõ điện áp ra 4-20mA, ta có:
• T là thời gian trễ của cảm biến lấy 0,05s
• 𝜏 là thời gian trễ đo hàm lượng oxi trong khói ra khỏi buồng lửa lấy 1,2s
Hình 2.6 Cảm biến đo nồng độ Oxy trong không khí
Lưu ý: Sơ đồ đấu nối được thể hiện ở hình dưới đây:
Hình 2.8 Sơ đồ đấu nối chân cảm biến
❖ Các loại cảm biến khác:
Trong thực tế, để điều khiển quá trình cháy trong buồng đốt ta còn cần nhiều loại cảm biến khác như cảm biến đo lưu lượng không khí vào, cảm biến đo lưu lượng khói thải ra,
… để thực hiện giám sát hệ thống Nhưng trong giới hạn của đồ án này ta không đề cập đến
Bảng 2.2 Bảng định danh chân cảm biến
Hình 2.7 Sơ đồ chân cảm biến
Không khí phải được cấp liên tục vào buồng đốt với áp suất và lưu lượng, công suất phù hợp đảm bảo quá trình cháy và sinh nhiệt liên tục Dòng quạt ly tâm có kết cấu bền vững, độ bền cao có lưu lượng lớn áp suất trong khoảng 1000 - 3000Pa
• Tốc độ quay: 480 (vòng/phút)
• Cột áp: Thay đổi từ 2775 Pa đến 1971 Pa tương ứng với lượng không khí cấp vào từ 66 (𝑚 3 /s) đến 123 (𝑚 3 /s) khi giữ nguyên tốc độ quay
• Công suất động cơ: 400(kw)
• Ngõ vào điều khiển từ biến tần 6 – 96Hz, độ mở van từ 5 – 80% suy ra:
• Độ mở van từ 5-80%, lưu lượng không khí qua van thay đổi 0 – 123𝑚 3 /s suy ra:
• Hệ số khuếch đại: 𝐾 𝑣𝑔 = 𝐾 1 𝐾 2 = 1,366 (𝑚 3 /s/Hz)
• T là hằng số thời gian của van lấy Ts
• 𝜏 là hằng số thời gian trễ của van lấy 𝜏 = 1s
Suy ra, hàm truyền đạt: 𝐺 𝑣𝑔 = 1,366
Nhiệm vụ của quạt khói là vận chuyển sản phẩm cháy trong lò hơi, chúng đi qua các bề mặt hấp thụ nhiệt, các trở lực khí động (cụm ống sinh hơi đối lưu, bộ hâm nước, bộ sấy không khí, bộ xử lý bụi…), rồi cuối cùng là thoát ra ống khói Chế độ làm việc của quạt hút là khá nặng nề: nhiệt độ cao tới 300°C; hàm lượng bụi cao; có hàm lượng hóa chất gây ăn mòn
Quạt có lực hút khỏe, áp suất từ 1000 – 7000 Pa, được trang bị bộ phận lọc bụi để giảm thiểu khói bụi dẫn vào miệng hút của quạt và giảm thiểu bụi trong không khí làm môi trường trong sạch hơn, nâng cao tuổi thọ cho của quạt
• Tốc độ quay: 960 (vòng/phút)
• Cột áp: Thay đổi từ 6180 Pa đến 4100 Pa tương ứng với lượng khói thải hút ra từ 86 (𝑚 3 /s) đến 160 (𝑚 3 /s) khi giữ nguyên tốc độ quay
• Công suất động cơ: 1250(kw)
• Ngõ vào điều khiển từ cảm biến 6 - 96Hz, độ mở van từ 5% – 80% suy ra:
• Độ mở van từ 5 – 80%, không khí qua van 0 – 160𝑚 3 /s suy ra:
• Hệ số khuếch đại: 𝐾 𝑣𝑘 = 𝐾 1 𝐾 2 = 1,777 (𝑚 3 /s/Hz)
• T là hằng số thời gian của van lấy Ts
• 𝜏 là hằng số thời gian trễ của van lấy 𝜏 = 1s
Suy ra, hàm truyền đạt: 𝐺 𝑣𝑘 = 1,777
Van được chọn theo kích thước của quạt Vỏ của van bướm điện đường kính lớn D943H-16C được chế tạo hoàn toàn bằng nhôm đúc và gia công máy chính xác, chất lượng của các bộ phận chính là ổn định, trọng lượng nhẹ, được áp dụng công nghệ phun để đảm bảo chất lượng tốt Đặc điểm kỹ thuật:
- Van bướm điện D943H-16C thuận tiện cho việc điều chỉnh điều khiển hành trình hoặc công tắc mô-men xoắn, an toàn và đáng tin cậy
- Độ chính xác của các bộ phận truyền động cao, sử dụng ổ bi tại mỗi vị trí, hiệu quả cao, hoạt động tiếng ồn thấp
- Trục đầu ra được truyền bởi cặp bánh răng trục vít, có thể tự giữ ở bất kỳ vị trí nào
- Cơ cấu chuyển mạch vận hành bằng tay / động cơ là điện bán tự động trước khi điều khiển bằng tay, để đảm bảo vận hành an toàn và ổn định
- Công tắc giới hạn để cung cấp tiếp điểm độc lập về điện để điều khiển
- Bên trong có bộ phận bảo vệ nhiệt cho máy điện
- Tín hiệu phản hồi vị trí van DC 4-20mA
- Áp suất làm việc giới hạn: 2,5bar
- Nhiệt độ làm việc: -196℃ đến 425℃
- Van có thể quay nhiều vị trí (xoay 90°, xoay 180°) tương ứng với độ mở van từ 5 – 80%
Chọn các thiết bị điều khiển
Năm 2009, Siemens ra dòng sản phẩm S7-1200 dùng để thay thế dần cho S7-200 So với S7-200 thì S7-1200 có những tính năng nổi trội:
- S7-1200 là một dòng của bộ điều khiển logic lập trình (PLC) có thể kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp, và một tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hoàn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S71200
- S7-1200 bao gồm một microprocessor, một nguồn cung cấp được tích hợp sẵn, các đầu vào/ra (DI/DO)
- S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet và TCP/IP Ngoài ra bạn có thể dùng các module truyền thông mở rộng kết nối bằng RS485 hoặc RS232
- Phần mềm dùng để lập trình cho S7-1200 là Step7 Basic Step7 Basic hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình là FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal v16 của Siemens
- Phần mềm mô phỏng: PLCSIM
- Vậy để làm một dự án với S7-1200 chỉ cần cài TIA Portal vì phần mềm này đã bao gồm cả môi trường lập trình cho PLC và thiết kế giao diện HMI
- Cụ thể trong đề tài đồ án này em sẽ chọn PLC S7-1200 CPU 1214 AC/DC/Relay 6ES7 214 - 1B BG40 - 0XB0
Hình 2.13 CPU 1214 AC/DC/Relay 6ES7 214-1BBG40-0XB0
2.3.2 Thông số kỹ thuật của CPU 1214 AC/DC/Relay
Các thông số kỹ thuật được mô tả chi tiết dưới:
Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật cơ bản của CPU 1214
Thông số kỹ thuật Mô tả
Article number 6ES7214-1BG40-0XB0
Dòng điện khả dụng 24VDC – 400mA max
Bộ nhớ sử dụng 100 Kbytes (Work), 4Mbytes (Load), có thể mở rộng thông qua thẻ nhớ 10 Kbytes(Retentive) Ngõ vào ra số 14 ngõ vào (Sink/Source) / 10 ngõ ra
Ngõ vào ra tương tự 2 ngõ vào 10 bit (Dạng điện áp 0 – 10V)
Kích thước hình ảnh xử lý
1024 Bytes input ( miền nhớ I), 1024 Bytes output (miền nhớ Q)
Vùng nhớ tạm thời 16Kbytes cho khởi động và vòng làm việc, 6Kbyte cho các ngắt ưu tiên khác Thời gian xử lý 0.08 – 1.48 às/lệnh (đối với vựng nhớ I, Q, M)
Counter Loại IEC, 3 Bytes (Sint, USInt) 6 bytes (int, Uint), 12 bytes (Dint, UDInt) Truyền thông 1 Ethernet (RJ-45), 4 HMI; tốc độ 10/100 Mb/s
Interfaces PROFINET x1, không có PROFIBUS
Nguồn cung cấp 85 đến 264VAC (47 đến 63 Hz)
Nguồn cho bộ cảm biến
20.4 đến 28.8VDC (Imax-load 400mA) Độ chính xác 3 đến 3.5% Địa chỉ các ngõ vào ra
• Địa chỉ các ngõ vào số: I0.0 ÷ I0.7; I1.0 ÷ I1.5 - Kiểu dữ liệu: Bool
• Địa chỉ các ngõ vào tượng tự: IW64, IW66 (CPU); IW96, IW98, IW100, IW102 (SM 1234) – Kiểu dữ liệu: INT
• Địa chỉ các ngõ ra số: Q0.0 ÷ Q0.7, Q1.0, Q1.1 – Kiểu dữ liệu: Bool
• Địa chỉ ngõ ra tương tự: QW96, QW98 – kiểu dữ liệu: INT
• Miền nhớ trung gian M (8192 Bytes) truy cập từng bit
• Kiểu dữ liệu thường dùng: Real (32 bit), int (16 bit), word (16 bit), bool (1 bit) Đầu vào, ra của đề tài như sau:
• 4 đầu vào analog input: Các đầu vào dạng dòng điện 4-20mA từ các cảm biến đo áp suất buồng đốt, cảm biến đo hệ số Oxy thừa, 2 cảm biến đo lưu lượng không khí vào là khói thải ra
• 2 analog output: Đầu ra dạng dòng điện 4-20mA đi vào biến tần để điều khiển lưu lượng không khí vào và lưu lượng khói thải
CPU 1412C AC/DC/Relay có 2 đầu vào tương tự dạng điện áp do đó cần thêm một module analog mở rộng đề lấy tín hiệu từ cảm biến Đặc tính kỹ thuật: Model: SM 1234 AI 4x13bit/ AQ 2x14 bit
• 4 ngõ vào dạng dòng điện hoặc điện áp ( có thể thay đổi)
• Độ phân giải: 12 bit + 1 bit dấu
• 2 ngõ ra dạng dòng điện hoặc điện áp ( có thể thay đổi)
• Độ phân giải: 14 bits (điện áp), 13 bits (dòng điện)
Với những ưu điểm của việc sử dụng biến tần so với điều chỉnh đặc tính đường ống bằng van trong việc điều chỉnh quạt công nghiệp như:
- Điều chỉnh lưu lượng theo nhu cầu mà không cần dùng van điều chỉnh lưu lượng, do đó nâng cao hiệu suất sử dụng, giảm chi phí vận hành
- Dùng biến tần để điều khiển tốc độ quạt theo chu trình mà không cần phải luôn hoạt động tối đa công suất do đó nâng cao khả năng tiết kiệm điện
- Khởi động mềm giúp đảm bảo động cơ, hệ thống đường ống dẫn, nâng cao tuổi thọ đường ống dẫn và quạt
- Kết hợp với PLC, HMI để giám sát, điều khiển hệ thống từ trung tâm giám sát và điều khiển
- Biến tần Delta VFD-Flà dòng biến tần chuyên dùng để điều khiển bơm, quạt công nghiệp,…
- Biến tần có tín hiệu vào từ PLC là dòng điện I: 4 - 20 mA và tín hiệu đầu ra điều khiển dộng cơ ta đặt trong khoảng tần số: 6 - 96Hz Như vậy thiết bị này có hàm truyền là một khâu khuếch đại với hệ số khuếch đại K được xác định như sau: K = 96−6
20−4 = 5.625 (Hz/mA) Sau đây là sơ đồ chân của biến tần VFD-F:
Hình 2.15 Sơ đồ chân của biến tần VFD-F Hình 2.14 Biến tần VFD-F
1 Nguồn 24VDC cấp ra cho cảm biến
Không sử dụng cảm biến thì nối đất chân M để loại bỏ nhiễu
2 Đầu ra Sinking nối “–” tới “M”. Đầu ra Sourcing nối“+” tới “M”.
• Kết nối với PLC: SM 1234 được kết nối phía phải của CPU
Hình 2.17 Kết nối SM1234 với PLC
3 Cổng nối dây với cảm biến
• Kết nối tới cảm biến và cấp nguồn cho SM1234
Hình 2.16 Sơ đồ chân của CPU 1214
Hình 2.18 Sơ đồ kết nối cho SM1234
Nguồn 24VDC cho module mở rộng SM2134 có thể lấy trực tiếp từ PLC hoặc ở ngoài
Kết nối với Biến tần VFD-F:
- Đấu nối biến tần với PLC thông qua cable, từ biến tần ta sẽ nối với hai van cánh hướng quạt ID và FD như hình dưới:
Hình 2.19 Đấu nối biến tần VFD-F với động cơ van cánh hướng quạt
Mô hình hóa quá trình cháy
Trong hệ thống lò hơi thì buồng đốt là bộ phận rất quan trọng, đảm bảo đầu ra nhiệt cần thiết để tạo hơi Chính vì vậy hệ thống điều khiển chất lượng cháy của buồng đốt là một khâu rất cần thiết Nhiệm vụ của hệ thống là đảm bảo áp suất buồng đốt và hệ số Oxy thừa trong khói thải ổn định Nếu hệ số Oxy thừa quá thấp thì sẽ không đốt cháy được hết nhiên liệu, còn nếu quá lớn thì sẽ gây nên lãng phí Còn áp suất buồng thì phải
30 luôn duy trì ở giá trị âm (nhỏ hơn so với áp suất tuyệt đối của khí quyển) để khói là lửa không bị phì ra ngoài gây tổn thất nhiệt lớn Vì hệ quá trình cháy của buồng đốt rất phức tạp, mà hai thông số áp suất và hệ số Oxy thừa trong khói thải lại có tác động xen kênh rất lớn với nhau, do đó vấn đề đặt ra là thiết kế được bộ điều khiển triệt tiêu được tác động xen kênh nhằm đảm bảo chất lượng, hiệu suất nhiệt cho hệ thống
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy buồng đốt
• Sự thay đổi của lượng không khí cấp vào buồng đốt
Lưu lượng không khí cấp vào buồng đốt ảnh hưởng trực tiếp đến lượng Oxy và áp suất trong buồng Khi lượng không khí cấp vào từ quạt FD tăng lên, từ đó sẽ làm tăng lượng Oxy có trong buồng đốt, mặt khác cũng sẽ làm tăng áp suất trong buồng và ngược lại khi lượng không khí cấp vào giảm thì lượng Oxy và áp suất trong buồng cũng giảm
• Sự thay đổi của lượng khói thải hút ra khỏi buồng đốt
Tương tự như sự thay đổi của lượng không khí cấp, lưu lượng khói hút buồng đốt cũng ảnh hưởng trực tiếp đến lượng Oxy và áp suất trong buồng Khi lượng khói thải hút ra từ quạt ID tăng lên, từ đó sẽ làm giảm lượng Oxy có trong buồng đốt, mặt khác cũng sẽ làm giảm áp suất trong buồng và ngược lại khi lượng khói thải hút ra giảm thì lượng Oxy và áp suất trong buồng cũng tăng
Ngoài ra còn có sự thay đổi của tải, chất lượng than, lượng không khí lạnh, chui vào từ các kẽ hở của buồng,… nhưng ảnh hưởng chủ yếu nhất vẫn là sự thay đổi lưu lượng không khí vào và khói thải hút ra Để đơn giản hoá mô hình điều khiển, ta chỉ xét tới hai đại lượng này
Hệ điều khiển quá trình cháy gồm điều chỉnh áp suất chân không buồng đốt và điều chỉnh nồng độ oxy dư trong khói thải như sau: Quá trình cháy được mô phỏng sử dụng hai biến điều khiển là lượng khói thải và lượng khí cấp để điều chỉnh áp suất buồng lửa và nồng độ oxy trong khói Trên Hình 2.20, các hàm 𝐺 11 , 𝐺 12 , 𝐺 21 , 𝐺 22 biểu diễn mối quan hệ của các biến điều khiển với các biến cần điều khiển
Hình 2.20 Sơ đồ cấu trúc quá trình cháy có sự xen kênh
Nguyên lý làm việc như sau: khi thay đổi (tăng) độ mở van của quạt gió, lưu lượng gió cấp vào buồng lửa thay đổi, lượng Oxy được tăng cường trong buồng lửa Khi giảm độ mở van của quạt khói, lượng không khí được hút ra giảm, áp suất chân không buồng đốt tăng lên Ngoài ra việc thay đổi độ mở van cánh hướng còn tạo ra các tác động xen kênh lên hai biến cần điều khiển Vì lượng gió cấp vào cũng làm ảnh hưởng đến áp suất chân không vào lượng khói hút ra cũng làm ảnh hưởng đến nồng độ khí Oxy dư Như vậy trong quá trình cháy sự xen kênh gây khó khăn cho quá trình điều khiển
- G11: Hàm truyền biểu diễn quan hệ giữa lưu lượng khói ra với áp suất chân không buồng đốt pck
- G21: Hàm truyền biểu diễn quan hệ lưu lượng khói ra tác động xen kênh lên nồng độ Oxy dư
- G12: Hàm truyền biểu diễn quan hệ giữa lưu lượng không khí vào tác động xen kênh lên áp suất chân không buồng đốt pck
- G22: Hàm truyền biểu diễn quan hệ giữa lưu lượng không khí vào với nồng độ Oxy dư
2.4.2 Các phương trình cần thiết
- Phương trình cân bằng vật chất toàn phần: dm w than w kk w kh dt = + − ( 2.1) Trong đó: m là lượng tích lũy bên trong buồng đốt (kg)
𝛚 𝐭𝐡𝐚𝐧 là lưu lượng than cung cấp vào buồng lửa (kg/s)
𝛚 𝐤𝐤 là lưu lượng không khí cấp vào (kg/s)
𝛚 𝐤𝐡 là lưu lượng khói thải thoát ra (kg/s)
- Phương trình cân bằng thành phần chất khí: khi ' kk kh dm w w dt = − ( 2.2)
- Phương trình trạng thái của sản phẩm cháy:
bl khi ' tb pV = m R T ( 2.3) Trong đó: p là áp suất buồng lửa (Pa)
𝐕 𝐛𝐥 là thể tích buồng đốt (𝒎 𝟑 )
𝐦 𝐤𝐡í khối lượng khí chứa trong buồng lửa (kg)
𝐓 𝐭𝐛 là nhiệt độ trung bình của buồng đốt (𝑲)
- Phương trình lưu lượng chất khí:
. w = F ( 2.4) Trong đó: w là lưu lượng của chất khí (kg/s) ρ là khối lượng riêng của chất khí (kg/𝒎 𝟑 )
F là lưu lượng của chất khí (𝒎 𝟑 /s) 2.4.3 Hàm truyền đạt của áp suất buồng đốt Để xây dựng hàm truyền thể hiện quá trình thay đổi của áp suất trong buồng đốt, ta thiết lập phương trình cân bằng khối lượng trong buồng Ta sử dụng các ký hiệu sau đây: p: áp suất âm buồng đốt (Pa) – chêch lệch với áp suất khí quyển tuyệt đối;
Bc: lượng nhiên liệu tiêu hao theo thời gian (𝐤𝐠/𝐬);
𝐅 𝐤𝐤 : lưu lượng thể tích không khí cấp vào buồng lửa (𝐦 𝟑 /𝐬);
𝐅 𝐤𝐡 : lưu lượng thể tích khói thải thoát ra khỏi buồng lửa (𝐦 𝟑 /𝐬);
𝐓 𝐭𝐛 : nhiệt độ trong buồng lửa khi than đang cháy (K);
𝐩 𝐢𝐧 : áp suất của không khí vào buồng lửa (Pa);
𝐩 𝐨𝐮𝐭 : áp suất của khói thoát ra khỏi buồng lửa (Pa);
𝐩 𝐪𝐠 : cột áp của quạt gió FD (Pa);
𝐩 𝐪𝐤 : cột áp của quạt khói ID (Pa);
𝛒 𝐤𝐤 : khối lượng riêng của không khí đưa vào buồng lửa (kg/𝐦 𝟑 );
𝛒 𝐤𝐡 : khối lượng riêng của khói đưa ra khỏi buồng lửa (kg/𝒎 𝟑 );
𝐓 𝐢𝐧 : nhiệt độ không khí cấp vào buồng lửa sau khi qua bộ sấy (K);
𝐓 𝐨𝐮𝐭 : nhiệt độ khói khi đưa vào quạt ID (K);
𝒎 𝒌𝒉í : khối lượng khí chứa trong buồng lửa (kg);
Từ phương trình trạng thái của chất khí: p V = m R T ta suy ra
- Đạo hàm hai vế phương trình (2.3) ta được:
- Thay phương trình (2.2) và (2.5) vào (2.6) ta được:
Khi áp suất trong buồng đốt lớn hơn so với áp suất khí quyển (p>0) sẽ tồn tại một lực đẩy ngược ra để cân bằng lại sự chênh lệch đó, lực này sẽ làm giảm không khí vào từ quạt gió
FD và tăng lượng khói hút ra bởi quạt ID và ngược lại, khi áp suất trong buồng đốt nhỏ hơn so với áp suất khí quyển (p sửa sai)
❖ Điều khiển truyền thẳng (Feedforward controller): Điều khiển truyền thẳng dựa trên nguyên tắc đo giá trị biến nhiễu, bộ điều khiển dựa trên thông tin này tính toán giá trị điều khiển
Sách lược này hay còn được gọi là điều khiển bù nhiễu và vòng điều khiển là mạch hở (opened loop controller)
Hình 3.2 Sơ đồ vòng điểu khiển Feedforward Controller Đặc điểm của vòng điều khiển truyền thẳng:
- U(t) được hình thành dựa trên giá trị đo được của nhiễu, biến cần điều khiển không được đo
- Tác động nhanh, ngăn chặn trước ảnh hưởng của nhiễu (nhiễu đo được)
- Không triệt tiêu được nhiễu không biết trước/không đo được
- Đáp ứng kém chính xác, chất lượng không cao
• Điều khiển truyền thẳng kết hợp phản hồi:
Kết hợp ưu nhược điểm của hai bộ điều khiển nêu trên để tận dụng ưu điểm và khắc phục nhược điểm của hai sách lược điều khiển:
- Mạch bù nhiễu sẽ tác động nhanh để bù trừ trước ảnh hưởng của nhiễu đo
- Mạch hồi tiếp sẽ tiếp tục hiệu chỉnh để triệt tiêu sai số tạo ra bởi các nhiễu không đo được và ổn định hệ thống
Từ đây ta có sơ đồ P&ID cho hệ thống điều khiển chất lượng cháy trong buồng đốt:
Hình 3.3 Lưu đồ P&ID cho điều khiển chất lượng cháy buồng đốt
Ngoài đối tượng là buồng đốt còn có các đối tượng khác như van điều khiển quạt khói, van điều khiển quạt gió và các thiết bị đo Tín hiệu sai lệch giữa giá trị đặt với tín hiệu ra
43 được đưa vào các bộ điều khiển để thiết lập các tín hiệu điều khiển 𝑈 đ𝑘1 và 𝑈 đ𝑘2 tác động độ mở van quạt khói và quạt gió Từ đó điều khiển được áp suất 𝑃 𝑐𝑘 và nồng độ 𝐶 𝑜𝑥𝑦
Thiết kế bộ điều khiển cho từng kênh riêng biệt
❖ Thiết kế bộ điều khiển áp suất chân không buồng đốt:
- Mô hình điều khiển áp suất chân không buồng đốt:
Hình 3.4 Mô hình điều khiển áp suất chân không buồng đốt
- Đối tượng của bộ điều khiển của bộ điều khiển là hàm truyền 𝐺 11 ′ :
- Áp dụng luật chia đôi xấp xỉ của Skogestad 𝐺 11 ′ :
- Áp dụng công thức xấp xỉ: 𝑒 −𝜏𝑠 ≈ 1
- Áp dụng phương pháp tối ưu độ lớn ta tìm được thông số bộ PI như sau:
Hình 3.5 Sơ đồ điều khiển áp suất chân không buồng đốt
Hình 3.6 Kết quả mô phỏng khi áp suất đặt tại -100Pa và có nhiễu vào tại t0s
Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy áp suất buồng đốt đạt giá trị yêu cầu, thời gian đáp ứng nhanh (khoảng 90s) và bám sát giá trị đặt (sai lệch < 1%).
❖ Thiết kế bộ điều khiển oxy thừa trong khói thải
- Mô hình điều khiển oxy thừa trong khói thải:
Hình 3.7 Mô hình điều khiển oxy thừa trong khói thải
- Đối tượng điều khiển của bộ điều khiển của bộ điều khiển là hàm truyền 𝐺 22 ′ :
- Áp dụng luật chia đôi xấp xỉ của Skogestad 𝐺 22 ′ :
- Áp dụng công thức xấp xỉ: 𝑒 −𝜏𝑠 ≈ 1
- Áp dụng phương pháp tối ưu độ lớn ta tìm được thông số bộ PI như sau:
- Sơ đồ bộ điều khiển:
Hình 3.8 Sơ đồ điều khiển oxy thừa trong khói thải
Hình 3.9 Kết quả mô phỏng khi hệ số đặt thay đổi từ 4% xuống 5% tại t 0s
Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy hệ số Oxy thừa đạt giá trị yêu cầu, thời gian đáp ứng nhanh
(khoảng 50 giây) và bám sát giá trị đặt (sai lệch khoảng 0,2%)
Kết luận: Ta có thể thấy rằng khi không có tác động xen kênh qua lại giữa hai đối tượng, bộ điều khiển phản hồi vòng kín đưa ra chất lượng điều khiển rất tốt với thời gian quá độ nhanh và bám sát giá trị đặt.
Thiết kế bộ điều khiển theo phương pháp điều khiển tách kênh
❖ Xác định các hàm truyền mô tả sự xen kênh
• Hàm truyền đạt giữa 𝑈 𝑑𝑘2 và 𝑝 𝑐𝑘 là 𝐺 12 ′ :
- Áp dụng luật chia đôi xấp xỉ của Skogestad 𝐺 12 ′ :
- Áp dụng công thức xấp xỉ: 𝑒 −𝜏𝑠 = 1
• Hàm truyền đạt giữa 𝑈 𝑑𝑘1 và 𝐶 𝑜𝑥𝑦 là 𝐺 21 ′ :
- Áp dụng luật chia đôi xấp xỉ của Skogestad 𝐺 21 ′ :
- Áp dụng công thức xấp xỉ: 𝑒 −𝜏𝑠 = 1
• Sơ đồ mô hình tương đương:
Hình 3.10 Sơ đồ mô hình tương đương
❖ Nguyên lý tách kênh truyền thẳng
Do 𝐺 21 ′ và 𝐺 12 ′ là các tương tác xen kênh vào – ra của hệ nên để thiết kế bộ điều khiển cho đầu ra bám giá trị đặt mong muốn ta phải loại bỏ được sự xen kênh này Sử dụng phương pháp tách kênh truyền thẳng mà thực chất là sử dụng các khâu bù 𝐷 12 và 𝐷 21 , ta có sơ đồ khối như sau:
Hình 3.11 Cấu trúc điều khiển quá trình cháy áp dụng phương pháp tách kênh truyền thẳng
Từ Hình 3.11 ta có hàm ma trận biến vào – ra như sau:
Bây giờ, cần phải loại bỏ sự xen kênh giữa hai nhánh với nhau Chính vì vậy, ta thêm vào cấu trúc của hệ hai đối tượng mới là 𝐷 12 và 𝐷 21 Khi đó hàm ma trận biến vào mới như sau:
𝑈 𝑑𝑘2 ) Để 𝑝 𝑐𝑘 chỉ phụ thuộc vào 𝑈 𝑑𝑘1 theo hàm 𝐺 1 và 𝐶 𝑜𝑥𝑦 chỉ phụ thuộc vào 𝑈 𝑑𝑘2 và hàm
Từ đó ta có hệ phương trình:
Như vậy khi thêm vào hệ thống hai khối 𝐷 12 và 𝐷 21 như trên thì hệ thống sẽ triệt tiêu được hoàn toàn thành phần ảnh hưởng xen kênh, từ đó các biến đầu ra sẽ được ghép với một biến đầu vào tương ứng Khi đó ta có thể áp dụng phương pháp tính toán bộ điều khiển thông thường vào hệ thống Hàm truyền mới của hệ là:
❖ Thiết kế bộ điều khiển của hệ
• Tính toán các hàm truyền
• Thiết kế bộ điều khiển
- Với đối tượng 𝐺 1 , áp dụng phương pháp tối ưu độ lớn ta có thông số bộ điều khiển là: 𝑅 1 = 𝐾 𝑝 + 𝐾 𝐼
- Với đối tượng 𝐺 2 , áp dụng phương pháp tối ưu độ lớn ta có thông số bộ điều khiển là: 𝑅 2 = 𝐾 𝑝 + 𝐾 𝐼
Ta mô phỏng với hai bộ điều khiển có tách kênh và không có tách kênh
- Sơ đồ bộ điều khiển không có tách kênh
Hình 3.12 Sơ đồ bộ điều khiển không tách kênh
Hình 3.13 Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển không tách kênh
Nhận xét: - Từ đồ thị ta thấy do tác động xen kênh mà áp suất vọt lên rất lớn (xấp xỉ
8000Pa), tuy thời gian tác động nhanh và vẫn bám sát được giá trị đặt (sai lệch không vượt quá 1%) nhưng tại thời điểm cao nhất đã vượt qua ngưỡng HH Alarm của hệ thống
- Đối tượng hệ số Oxy thừa do không chịu ảnh hưởng nhiều của tác động xen kênh từ buồng đốt sang nên nên thời gian tác động nhanh (khoảng 80s) và bám sát được giá trị đặt, không có sự vọt lố nhiều như áp suất buồng đốt
Do vậy chúng ta cần thêm một bộ điều khiển bù nhiễu để loại bỏ đi tác động xen kênh.
- Sơ đồ bộ điều khiển có tách kênh:
Hình 3.14 Sơ đồ bộ điều khiển có tách kênh
Hình 3.15 Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển có tách kênh
Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy sau khi thêm vào bộ bù nhiễu, tác động xen kênh tuy vẫn còn nhưng đã giảm đáng kể so với trước
- Đối với áp suất buồng đốt: độ vọt lố chỉ còn xấp xỉ ±800Pa, thời gian tác động khoảng 140s, giá trị khi xác lập bám sát được giá trị đặt (sai lệch không vượt quá 1%) và áp suất buồng đốt nằm trong dải làm việc từ -2000Pa đến 1000Pa.
- Đối với hệ số Oxi thừa trong khói thải: Do tác động của quạt khói tác động lên hệ số Oxi là không lớn, do vậy không nhận thấy được sự xen kênh của quạt khói ID gây nên Đối tượng có thời gian tác động nhanh hơn so với áp suất buồng đốt ( chỉ khoảng 50s), giá trị khi xác lập bám sát giá trị đặt ( sai lệch không vượt quá 1%).
Kết luận chương 3
Ở chương 3 ta đã đi vào thiết kế các bộ điều khiển, cho thấy sự khác biệt khi cho vào bộ bù tách kênh Sau khi cho vào bộ tách kênh, ta có thể thấy rằng tác động xen kênh đã giảm đáng kể giữa các đối tượng Mục tiêu của chương 4 là ghép nối phần mềm Matlab-Simulink cùng với PLC thật được lập trình và điều khiển qua giao diện HMI bằng phần mềm Tia portal V16
SỬ DỤNG MATLAB – SIMULINK, TIA PORTAL MÔ PHỎNG HỆ KẾT NỐI VỚI PLC S7-1200
Giới thiệu về phần mềm sử dụng trong đề tài
Matlab là một bộ chương trình phần mềm lớn của lĩnh vực toán số Tên bộ chương trình là viết tắt của từ Matrix Laboratory, thể hiện định hướng chính của chương trình là các vector và ma trận Phần cốt lõi của chương trình bao gồm một số hàm toán, các chức năng nhập, xuất cũng như các khả năng điều khiển chu trình mà nhờ đó ta có thể dựng trên các Scrips
Hình 4.1 Giao diện của Matlab
Thêm vào phần cốt lõi, là một số các Toolbox với phạm vi chức năng chuyên dụng mà người sử dụng cần Simulink là một Toolbox có vai trò đặc biệt quan trọng Vai trò của một công cụ mạnh phục vụ mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống Kỹ thuật – Vật lý trên cơ sở sơ đồ cấu trúc dạng khối
Tia portal chính là tên một phần mềm dùng để lập trình cho thiết bị có tên là bộ điều khiển logic (Programmable Logic Controller) trong công nghiệp Không giống như các phần mềm lập trình trước, Tia portal tích hợp hết các chức năng từ lập trình, giả lập cpu hay thiết kế cả Wincc giao diện người- máy Đây là phiên bản hoàn thiện nhất cho việc thiết kế trọn bộ hệ thống điều khiển bằng PLC
Hình 4.2 Giao diện của Tia portal
Trong các phiên bản trước thì hãng Siemen chỉ hỗ trợ chúng ta các phần mềm riêng biệt cho từng tiện ích mà ta sử dụng Tức là để có thể thiết kế hoàn thiện, chúng ta cần phải cài đặt nhiều phần mềm rời rạc Điều này rất bất tiện cho các kĩ sư điện, nhất là với những người vừa mới bắt đầu tiếp cận bộ lập trình logic này Một điều đáng lưu ý nữa là với phần mềm tia portal, chúng ta có thể dùng để lập trình cho hầu hết các dòng PLC như S7 300,
400, 1200, 1500 Điều này vô cùng tiện lợi cho thiết kế vì chúng ta chỉ cần học sử dụng một lần là có thể lập trình cho tất cả các đời PLC Phần mềm Tia portal em sử dụng trong đồ án này là Tia portal V16
OPC (Open Platform Communication ) là một chuẩn giao tiếp dữ liệu giữa các phần mềm, theo cơ chế client-sever , được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để đảm bảo tính linh hoạt và tương thích giữa các thành phần OPC cho phép các chương trình window có thể giao tiếp với các thiết bị phần cứng công nghiệp
Hình 4.3 Hoạt động của OPC Server
KEPServerEX là nền tảng kết nối hàng đầu của ngành công nghiệp kỹ thuật, cung cấp một nguồn dữ liệu tự động hóa công nghiệp cho tất cả các ứng dụng, cung cấp khả năng kết nối, khả năng sử dụng và hiệu suất theo yêu cầu của các doanh nghiệp hiện đại - mang lại lợi ích cạnh tranh có thể được trải nghiệm trải rộng khắp từ sàn nhà máy đến CNTT cho phòng họp
Tổng quan về kết nối giữa các bộ phận
Hình 4.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển chất lượng cháy buồng đốt
56 Để thực hiện mô phỏng đề tài này, em sẽ kết nối 2 laptop và PLC S7-1200 vào cùng một Router bằng cáp Ethernet Trong đó:
- Máy 1 sẽ kết nối trực tiếp với PLC bằng phần mềm Tia portal để load code và chạy HMI Runtime Professional để điều khiển và giám sát
- Máy 2 sẽ chạy matlab để mô phỏng là đối tượng buồng đốt của nhà máy nhiệt điện
- Hai máy sẽ thực hiện trao đổi dữ liệu với nhau qua giao thức OPC UA, máy 1 là server và máy 2 là client
Hình 4.6 Trao đổi dữ liệu qua OPC UA
Mô phỏng
4.3.1 Mô phỏng trên Matlab - Simulink
- Sơ đồ mô hình của hệ điều khiển:
Hình 4.7 Mô hình điều khiển của hệ trên Matlab-Simulink
Hình 4.8 Khối điều khiển PLC
- Khối xử lý giá trị để đưa vào PLC ở dạng 0-27648:
Hình 4.12 Khối xử lý giá trị đưa vào PLC
4.3.2 Mô phỏng trên tia portal
- Khối 𝑅 1 điều khiển quạt khói:
Hình 4.13 Khối điều khiển quạt khói
- Khối 𝑅 2 điều khiển quạt gió:
Hình 4.14 Khối điều khiển quạt gió
- Khối xử lý tín hiệu trả về của cảm biến:
Hình 4.15 Khối xử lý tín hiệu thu được từ cảm biến
- Các khối chuyển trạng thái cho bộ PI:
Hình 4.16 Chế độ AUTOMATIC cho khối PI
Hình 4.17 Chế độ MANUAL cho khối PI.1
Hình 4.18 Chế độ MANUAL cho khối PI.2
Hình 4.19 Chế độ FINE TUNING cho khối PI
- Danh mục tags của PLC