Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị điều tốc cho tuabin thuỷ lực của nhà máy thuỷ điện công suất vừa và nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LÊ TIẾN LÂM NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỀU TỐC CHO TUABIN THỦY LỰC CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT VỪA VÀ NHỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LÊ TIẾN LÂM NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỀU TỐC CHO TUABIN THỦY LỰC CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT VỪA VÀ NHỎ Chuyên ngành: Tự động hóa Mã số : 60.52.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS Đào Văn Tân HÀ NỘI - 2010 -1- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nghiên cứu luận văn chưa công bố Các số liệu, phép tính tốn mơ trung thực Nếu sai tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Hà Nội, ngày 16 tháng 09 năm 2010 Người cam đoan Lê Tiến Lâm -2- LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập, nghiên cứu khoa học trường Đại học Mỏ - Địa Chất, giao luận văn tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị điều tốc cho tuabin thủy lực nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ ” Được hướng dẫn tận tình thầy giáo PGS.TS Đào Văn Tân, bảo thầy cô giáo môn Tự động hóa – Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp đáp ứng đầy đủ yêu cầu đề tài Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm có hạn, vấn đề điều tốc tuabin vấn đề quan trọng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nên luận văn nhiều điểm cần tiếp tục nghiên cứu, phát triển tương lai Tơi mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Sau thời gian thực hiện, đến luận văn hồn thành Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo PGS.TS Đào Văn Tân, người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới ban giám đốc nhà máy thủy điện Mường Kim, Trung tâm Quy hoạch Quản lý khai thác công trình thủy điện – Viện Thủy điện lượng tái tạo, gia đình, bạn bè tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình làm hoàn thành luận văn Hà Nội, Ngày 16 tháng 09 năm 2010 Học viên Lê Tiến Lâm -3- MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Danh hình vẽ, đồ thị Mở đầu Chương 1: Tổng quan nhà máy thủy điện hệ thống điều chỉnh tuabin 1.1 Tổng quan nhà máy thủy điện 1.2 Sơ đồ tổng quát nhà máy thủy điện 11 1.3 Tuabin 13 1.4 Hệ thống điều tốc 14 Chương 2: Hệ thống điều tốc tuabin thủy lực nhà máy thủy điện 17 Mường Kim 2.1 Nhiệm vụ hệ thống điều tốc 17 2.2 Nguyên lý làm việc hệ thống điều tốc 17 2.3 Các phận hệ thống điều tốc 18 2.4 Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện Mường Kim- Huyện Mù Cang 29 Chải - Tỉnh Yên Bái Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điều tốc cho tuabin 36 thủy lực 3.1 Xây dựng mơ hình tốn học 37 3.2 Xây dựng cấu trúc mạch vòng điều khiển 52 3.3 Tính tốn thơng số đối tượng tống hợp mạch vòng 53 điều khiển 3.4 Mô hệ thống Matlab – Simulink 60 -4- 3.5 Xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị điều tốc cho tuabin nhà máy 61 thủy điện Mường Kim sử dụng PLC s7 - 300 điều khiển, giám sát WinCC Nhận xét kết mô 97 Kết luận kiến nghị 98 Tài liệu tham khảo 100 Phụ lục -5- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Sơ đồ tuyến nhà máy thủy điện 12 Hình 1.2 Sơ đồ bố trí thiết bị nhà máy thủy điện 12 Hình 2.1 Hệ thống điều tốc tuabin 19 Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều tốc tuabin 21 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý điều tốc tác dụng trực tiếp 22 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý điều tốc có phản hồi cứng 23 Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý máy điều chỉnh tốc độ quay tuabin kiểu 23 hướng tâm Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý đơn giản thiết bị điều tốc tuabin kiểu 25 điện thủy lực Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều tốc điện thủy lực ứng dụng kỹ thuật số 36 Hình 3.2 Mơ hình tốn học tuabin thuỷ lực 38 Hình 3.3 Mơ hình đơn giản tuyến lượng nhà máy thuỷ điện 39 Hình 3.4 Tiết diện lớn đột ngột 43 Hình 3.5 Đáp ứng cơng suất, vận tốc, cột áp tuabin độ mở giảm 44 bước nhảy cánh hướng 10% Hình 3.6 Đáp ứng công suất, vận tốc, cột áp tuabin độ mở giảm 44 tuyến tính cánh hướng 10% Hình 3.7 Độ mở cánh hướng lý tưởng độ mở thực 47 Hình 3.8 Mơ hình tuabin thuỷ lực 48 Hình 3.9 Mơ hình hàm truyền rút gọn máy phát điện 50 Hình 3.10 Sơ đồ mạch vịng điều khiển vị trí cánh hướng 52 Hình 3.11 Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều khiển tốc độ 53 Hình 3.12 Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều khiển vị trí cánh hướng 56 Hình 3.13 Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều khiển vị trí cánh hướng thu gọn 56 -6- Hình 3.14 Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều khiển vị trí sau tổng hợp 58 tham số Hình 3.15 Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều khiển tốc độ 58 Hình 3.16 Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều khiển tốc độ thu gọn 59 Hình 3.17 Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều khiển vị trí sau tổng hơp 60 tham số Hình 3.18 Đáp ứng độ mở cánh hướng độ mở đặt 20 % 61 Hình 3.19 Kết mơ mạch vịng điều khiển tốc độ 61 Hình 3.20 Giao diện để điều khiển giám hệ thống 93 Hình 3.21 Giao diện điều khiển giám sát hệ thống chế độ tự động 94 Hình 3.22 Giao diện điều khiển giám sát hệ thống chế độ tay 95 Hình 3.23 Đồ thị giám sát tham số hệ thống 96 -7- MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Ngày nay, ngành kinh tế, kỹ thuật áp dụng kỹ thuật tự động hố làm thay đổi diện mạo nhiều ngành sản xuất, dịch vụ Chúng ta biết vai trò to lớn nhà máy thủy điện như: cung cấp điện cho ngành sản xuất, kinh doanh, đảm bảo an ninh trị - xã hội, góp phần to lớn để phát triển đất nước Chính việc áp dụng cơng nghệ tự động hóa vào nhà máy thủy điện việc làm cần thiết cấp bách Hệ thống điều tốc tuabin thủy lực hệ thống cần thiết áp dụng cơng nghệ tự động hóa Mục đích đề tài: Mục đích đề tài là: nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị điều tốc cho tuabin thủy lực nhà máy thủy điện công suất vừa nhỏ Từ áp dụng giúp nâng cao hiệu kinh tế, kỹ thuật cho nhà máy thủy điện Xây dựng mơ hình tốn, hệ thống điều khiển giám sát hệ thống điều tốc PLC s7-300 WinCC Đối tượng phạm vi nghiên cứu: - Đối tượng nghiên cứu hệ thống điều khiển thiết bị điều tốc cho tuabin thủy lực nhà máy thủy điện Mường Kim - Huyện Mù Cang Chải - Tỉnh Yên Bái - Đưa phương pháp điều khiển có sử dụng PLC S7- 300 - Mô đánh giá kết Nội dung nghiên cứu: - Tổng quan nhà máy thủy điện hệ thống điều tốc tuabin - Thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị điều tốc cho tuabin thủy lực: với mạch vòng điều khiển : + Mạch vịng điều khiển vị trí cánh hướng + Mạch vòng điều khiển vận tốc - Xây dựng hệ thống điều khiển giám sát hệ thống plc s7-300 WinCC -8- Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu, phân tích hệ thống điều tốc có Nhận xét, đưa phương án điều khiển có sử dụng PLC s7- 300 Sau mơ kiểm nghiệm kết khẳng định tính đắn kết nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn: Nhu cầu điện theo phát triển kinh tế - xã hội đất nước ngày tăng, việc phát triển nhà máy điện tất yếu Hệ thống điều tốc tuabin hệ thống quan trọng nhà máy điện Việc điều chỉnh tốc độ tuabin định đến tiêu kinh tế - kỹ thuật nhà máy điện Hệ thống có khả ổn định tần số máy phát, ổn định tốc độ quay tổ máy không thay đổi phạm vi thay đổi phụ tải máy phát, phân bố phụ tải tổ máy làm việc song song, thực trình mở tắt máy điều kiện bình thường điều kiện có cố Do việc nghiên cứu hệ thống điều khiển thiết bị điều tốc tuabin vừa có ý nghĩa khoa học, vừa có ý nghĩa thực tiễn Cấu trúc luận văn: Luận văn bao gồm: phần mở đầu, chương, kết luận kiến nghị Được trình bày 100 trang, phụ lục 31 hình vẽ, đồ thị - 91 - 3.5.3.2 Thiết kế giao diện điều khiển giám sát hệ thống WinCC Các biến sử dụng - 92 - * Thiết kế giao diện Hình 3.20 Giao diện để điều khiển giám hệ thống - 93 - Hình 3.21 Giao diện điều khiển giám sát hệ thống chế độ tự động - 94 - Hình 3.22 Giao diện điều khiển giám sát hệ thống chế độ tay - 95 - Hình 3.23 Đồ thị giám sát tham số hệ thống - 96 - NHẬN XÉT VỀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Hệ thống tính tốn, thiết kế với mạch vịng điều khiển: mạch vịng điều chỉnh vị trí cánh hướng mạch vòng điều chỉnh tốc độ Tiêu chuẩn ổn định dùng để tính tốn là: tiêu chuẩn mơdul tối ưu tối ưu đối xứng Chính kết tính tốn xác chất lượng hệ đạt cao Từ kết mơ hình 3.18 3.19 ta có nhận xét sau: - Chất lượng tĩnh: chế độ xác lập sai lệch tĩnh vị trí cánh hướng nước tốc độ quay nhỏ, đạt tiêu chuẩn cho phép - Chất lượng động: + Khơng có q điều chỉnh + Số lần dao động : 1lần + Thời gian đạt xác lập ngắn đáp ứng yêu cầu công nghệ + Thời gian độ ngắn + Khởi động êm Với kết hệ thống hoàn tồn đảm bảo chất lượng Đáp ứng u cầu cơng nghệ hoạt động lâu dài, ổn định - 97 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Các kết đạt được: - Luận văn đề cập đến tổng quan nhà máy thủy điện, hệ thống điều chỉnh tuabin, giải phần mơ hình tốn học thành phần hệ thống điều tốc - Từ mơ hình tốn học vừa xây dựng, tiến hành xây dựng mạch vòng điều khiển bao gồm: mạch vòng điều khiển vị trí cánh hướng, mạch vịng điều chỉnh tốc độ hệ thống mô Matlab – Simulink - Sau tổng hợp, đánh giá hệ thống, tiến hành xây dựng hệ thống điều khiển sử dụng PLC s7 - 300 Luận văn giới thiệu yêu điểm hệ thống sử dụng thiết bị khả trình PLC so với hệ thống sử dụng role Tính linh hoạt, thân thiên, dễ dàng thiết kế giao diện điều khiển giám sát hệ thống phần mềm WinCC Vấn đề mới: Xây dựng hệ thống điều khiển sử dụng PLC s7 - 300 điều khiển, giám sát WinCC Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo: - Xây dựng hệ thống điều tốc thực với đầy đủ tham số liên quan - Lập trình, kết PLC với hệ thống SCADA nhà máy - Thiết kế hệ thống SCADA để điều khiển giám sát toàn nhà máy Với kết đạt vậy, luận văn tiếp cận phương pháp nghiên cứu Các phép tính tốn, lập trình, thiết kế giao diện hồn tồn xác ứng dụng vào thực tế Sau thời gian gian cứu, làm việc nghiêm túc, giúp đỡ tận tình thầy giáo PGS.TS Đào Văn Tân thầy cô giáo môn tự động hóa – Đai học Mỏ - Địa Chất, đến luận văn tơi hồn thành thời gian Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu thầy giáo hướng dẫn, thấy cô giáo môn, ban giám đốc nhà máy thủy điện Mường Kim, - 98 - trung tâm Quy hoạch Quản lý khai thác cơng trình thủy điện, bạn bè, anh em đồng nghiệp gia đình tạo điều kiện giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Kính mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo, đồng nghiệp để kết nghiên cứu tốt - 99 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ môn thiết bị thủy năng, Trường Đại học Thủy Lợi (2004), Giáo trình tuabin thủy lực, Nxb xây dựng, Hà Nội Các tài liệu kỹ thuật nhà máy thủy điện Mường Kim - Huyện Mù Cang Chải Tỉnh Yên bái Lê Văn Doanh, Đào Văn Tân tác giả khác (2006), Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Trần Thu Hà (2007), Tự động hóa cơng nghiệp với WinCC, Nxb Hồng Đức Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Vũ Vân Hà (2006), Tự động hóa với Simatic S7-300, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Trần Vinh Phú (2009), Điều khiển turbine thủy điện, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên, Thái Nguyên Nguyễn Phùng Quang (2005), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Đào Văn Tân (2000), Lý thuyết điều khiển tự động tập 1, Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội Lã Văn Út, Đặng Quốc Thống, Ngô Văn Dưỡng (2007), Nhà máy thủy điện, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 10 Jian-Ping Sun, Xin- Zhang Jin, “ The intelligent hybrid control of the hydraulic governor system” PHỤ LỤC PHỤ LỤC Các thông số PLC sử dụng hệ thống Hình PL1: Hình ảnh CPU 314C – 2DP - CPU 314C – 2DP - Bộ nhớ chương trình liệu : 48KB - Thời gian thực (nhỏ nhất): + Phộp toỏn vi bit: 0,1ữ 0,2 às + Phộp toỏn với từ: 0,5 µs + Phép cộng dấu phẩy tĩnh: µs + Phép cộng dấu phẩy động: 15 µs - Bộ đếm khả nhớ: + Số đếm : 256 + Khả nhớ, lựa chọn: Từ C0 đến C255 + Dải đếm: đến 999 - Timer: + Số Timer: 256 + Khả nhớ lựa chọn: Từ T0 đến T255 + Dải thời gian: 10 ms đến 9990s - Dải liệu khả nhớ: + Vùng nhớ bit: 2048 + Khả nhớ lựa chọn: Từ MB0 đến MB255 - Các khối chương trình: + Tối đa: 16KB + Ngắt quan sát: 1KB + Cảnh báo trình: 1KB + Ngắt theo thời gian ngày: 1KB + Ngắt theo thời gian trễ: 1KB + Quyền ưu tiên cho lớp: 8KB + Số khối lồng OB xử lý lỗi: 4KB - Số khối FB tối đa: 128 - Số khối FC tối đa: 128 - Số khối DB tối đa: 127 (DB0 định trước) - Vùng địa (vào/ra): + Tổng số địa vào/ra: 1024/1024 byte + Vùng nhớ đệm: 128/128 byte + Kênh tín hiệu số: 992/992 tối đa + Kênh tín hiệu tương tự: 248/124 tối đa - Khả mở rộng: + Số rank mở rộng tối đa: + Số modul tối đa: 31 + Số trạm chủ DP:  Tích hợp sẵn:  Qua CP: + Số modul FM,CP cho phép:  FM:  CP, điểm – điểm:  CP, LAN: - Đồng hồ thời gian thực: + Bộ đếm giờ: + Đồng thời gian thưc: Có - Khả truyền thông: Số kết nối tối đa: 12 + Với PG/PC: Có  Định trước:  Tùy chọn: đến 11 + Với OP : Có  Định trước:  Tùy chọn: đến 11 + Với chuẩn s7: Có  Định trước:  Tùy chọn: đến + Định tuyến: - Khả gửi thông báo tới trạm OS: trạm - Dịng điện, điện áp: + Nguồn ni: 24VDC + Dải điện áp: 20,4 đến 28,8V + Dòng tiêu thụ: 1A + Dịng khởi động 11A + Cơng suất tiêu thụ: 14W - Kích thước: + Kích thước (W x H x D): 120 x 125 x 130 mm + Khối lượng: 680g - Đầu vào số tích hợp sẵn: 24 + Điện áp vào:  Định mức: 24VDC  Tín hiệu “1”: 15 đến 30V  Tín hiệu “0”: -3 đến +5V + Dịng điện vào: Tín hiệu “1”: tối thiếu 8mA - Đầu số tích hợp sẵn: 16 + Điện áp định mức: 24VDC + Dải điện áp: 20,4 đến 28,8V + Dòng điện tối đa:  Tín hiệu “1”:  Tại 400C: 0,5A  Tại 600C: 0,5A  Dịng tối thiểu: 5mA  Tín hiệu “0”: tối đa 0,5mA - Đầu vào tương tự tích hợp sẵn: + Điện áp: đến 10V + Dòng điện : đến 20mA - Bảo vệ chương trình mật - Ngơn ngữ lập trình: STEP V5.1 SP2 (LAD, FBD, STL), SCL, CFC, GRAPH, HiGraph 9/2010 No 108D-06-06-02-08 TKKT-DT ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LÊ TIẾN LÂM NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỀU TỐC CHO TUABIN THỦY LỰC CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CÔNG SUẤT VỪA VÀ NHỎ Chuyên... quan nhà máy thủy điện hệ thống điều chỉnh tuabin 1.1 Tổng quan nhà máy thủy điện 1.2 Sơ đồ tổng quát nhà máy thủy điện 11 1.3 Tuabin 13 1.4 Hệ thống điều tốc 14 Chương 2: Hệ thống điều tốc tuabin. .. thủy lực nhà máy thủy điện 17 Mường Kim 2.1 Nhiệm vụ hệ thống điều tốc 17 2.2 Nguyên lý làm việc hệ thống điều tốc 17 2.3 Các phận hệ thống điều tốc 18 2.4 Hệ thống điều tốc nhà máy thủy điện