Luận văn:Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển turbine hơi trong dự án tận dụng nhiệt tại nhà máy xi măng sông Gianh doc

- 1 -
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG




HOÀNG TIẾN PHƯỢNG





NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN
TURBINE HƠI TRONG DỰ ÁN TẬN DỤNG NHIỆT DƯ
TẠI NHÀ MÁY XI MĂNG SÔNG GIANH



Chuyên ngành: SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG
Mã số: 60.52.60



TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT



Đà Nẵng - Năm 2011
2
- 2 -

Công trình ñược hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG



Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. TRẦN XUÂN TÙY



Phản biện 1: PGS.TS. Phạm Đăng Phước

Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Văn Yến



Luận văn ñã ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt
nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 05
tháng 12 năm 2011.




Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng.
3
- 3 -
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Việt Nam hiện nay ñang là nước ñứng ñầu Asian về sản xuất
xi măng với sản lượng sản xuất trong năm 2010 ñạt 63 triệu tấn và
hơn 60 dây chuyền sản xuất xi măng lò khô ñã ñược xây dựng. Tuy
nhiên, ngành công nghiệp xi măng Việt Nam nói chung và công ty xi
măng COSEVCO Sông Gianh nói riêng hiện ñang phải ñối mặt với
những thách thức lớn như giá ñiện, than dầu tăng liên tục làm ảnh
hưởng tới hiệu quả sản xuất kinh doanh công ty. Bên cạnh ñó, tình
trạng thiếu ñiện xẩy ra trong một thời gian dài cũng ñã làm ảnh
hưởng ñến sản lượng sản xuất và tiêu thụ của nhà máy. Đứng trước
những thách thức lớn ñó, việc tận dụng nhiệt dư thừa trong lò xi
măng ñể phát ñiện là một việc làm thiết thực và có ý nghĩa rất lớn ñối
với nhà máy xi mang COSEVCO Sông Ganh, nhất là trong bối cảnh
hiện nay khi mà ngành ñiện trong nước chỉ ñảm bảo ñược 80% năng
lượng ñiện cho ngành xi măng từ nay ñến năm 2020, còn lại 20%
ngành xi măng phải tự lo. Do ñó, việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế,
ñầu tư xây dựng dự án tận dụng nhiệt dư thừa của lò xi măng ñể phát
ñiện là việc làm bắt buộc ñối với nhà máy xi măng COSEVCO Sông
Gianh. Các tính toán ñã chỉ ra, khi lắp ñặt hệ thống này trong nhà
máy xi măng có thể tiết kiệm 20% chi phí ñiện năng hàng năm và
giảm ñáng kể khí CO
2
thải ra môi trường ngoài. Hiện tại các nhà máy
xi măng trên thế giới ñã ñưa vào sử dụng hệ thống sử dụng nhiệt dư
ñể phát ñiện, trong nước ñã có một số nhà máy ñưa vào khai thác
như: Nhà máy xi măng Hà Tiên 2, nhà máy xi măng Công
Thanh…Turbine hơi là thiết bị quan trọng trong dự án thu hồi nhiệt
khí thải, việc ñiều chỉnh ổn ñịnh tốc ñộ turbine hơi quyết ñịnh các chỉ
tiêu kỹ thuật của hệ thống phát ñiện, khả năng ổn ñịnh tần số của máy
4
- 4 -

phát…Đề tài “Nghiên cứu thiết kế mô hình ñiều khiển turbine hơi
trong dự án tận dụng nhiệt dư tại nhà máy xi măng Sông Gianh” là
bước nghiên cứu ban ñầu ñể lập dự án cũng như nắm bắt sơ ñồ công
nghệ, làm chủ hệ thống khi ñầu tư vào sản xuất.
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu lý luận tổng quan, phương pháp thiết kế, xây
dựng bộ ñiều tốc turbine hơi trên cơ sở ñó ứng dụng cho dự án thu
hồi nhiệt khí thải ñể phát ñiện phục vụ cho nhà máy xi măng
COSEVCO Sông Gianh.
3. PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu nguyên lý thu hồi nhiệt tối ưu trong nhà máy
sản xuất xi măng.
- Nghiên cứu thiết kế hệ thống ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi.
- Xây dựng sơ ñồ công nghệ của hệ thống.
- Tính toán, thiết lập các thông số hệ thống ñể ñiều khiển tốc
ñộ turbine hơi.
- Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên máy tính.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Tính toán lý thuyết và mô phỏng hệ thống trên máy tính.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN
-Thiết lập mô hình ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi ứng dụng
cho dự án thu hồi nhiệt khí thải ñể phát ñiện tại nhà máy xi măng
COSEVCO Sông Gianh.
6. DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC & KHẢ NĂNG ỨNG
DỤNG
- Xây dựng mô hình ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi
- Tối ưu hóa hệ thống ñiều khiển turbine hơi
5
- 5 -
- Mụ phng h thng thu hi nhit trờn mỏy tớnh phc v chụ

cụng tỏc ủo to trc khi ủa dõy chuyn vo s dng.
7. CU TRC LUN VN
Ngoi phn m ủu, kt lun v kh nng ng dng ca ủ
ti, danh mc ti liu tham kho v cỏc ph lc, ni dung chớnh ca
lun vn ủc chia thnh 4 chng nh sau:
Chng 1: Tng quan
Gii thiu cỏc ngun nhit d thi ra mụi trng ca cỏc nh
mỏy xi mng hin nay. Da vo nhng ủc tớnh cụng ngh ủ xõy
dng lờn mụ hỡnh thu hi nhit lm mỏy phỏt ủin phc v cho ngun
ủin s thiu ht ca nh mỏy trong tng lai.
Chng 2: Cỏc thit b chớnh trong dõy chuyn thu hi nhit d
Gii thiu mt s thit b chớnh trong dõy chuyn. Nguyờn lý lm
vic ca cỏc thit b v chu trỡnh nhit húa hi.
Chng 3: Thit k mụ hỡnh ủiu khin tc ủ ca turbine hi
Trong phn ny gii thiu v mụ hỡnh toỏn hc ủiu khin
tc ủ turbine hi, xõy dng mụ hỡnh ủiu khin tc ủ turbine bng
thut toỏn PID c ủin t ủú chnh ủnh cỏc tham s ca b ủiu
khin PID bng b ủiu khin fuzzy m.
Chng 4: Mụ phng h thng bng WINCC phc v cho cụng tỏc
ủo to
Mụ phng quỏ trỡnh thu hi nhit bng wincc, quỏ trỡnh thit
k v gii thiu chc nng ca cỏc thit b trờn mụ hỡnh ủiu khin





6
- 6 -
CHNG 1

TNG QUAN
1.1. CC NGUN NHIT D TI CC NH MY SN
XUT XI MNG

1.1.1. Nhit d thi ra mụi trng ca nh mỏy xi mng Sụng
Gianh
1.1.2. Nhit d thi ra mụi trng sau thỏp trao ủi nhit
1.1.3. Nhit d thi ra mụi trng sau gin lm lnh clanhke
1.2. VN THIU HT NNG LNG, ễ NHIM MễI
TRNG V PHNG HNG X Lí
1.3. CễNG NGH PHT IN TN DNG NHIT D
NHIT THP TH H TH NHT CHO Lề QUAY XI
MNG TRấN TH GII
1.3.1. nh ngha v ủc ủim c bn
1.3.1.1. nh ngha
Tháp trao đổi nhiệt
Lò nung
Khí th ải T=300-350 C
o
Khí th ải T=80 -10 0 C
Lọc bụi
Q ụat ID
G iàn làm lạnh
Hệ thốn g van
điều chỉnh
Hỡnh 1.1. S ủ khớ thi ra mụi trng ca nh mỏy sn xut xi mng
7
- 7 -
1.3.1.2. c ủim c bn
1.3.2. Cỏc ủim trng yu ca cụng ngh v cu trỳc h thng

nhit ủng
1.3.2.1. Cỏc ủim trng yu ca cụng ngh
1.3.2.2. Cu trỳc h thng nhit ủng

Lò nung
Giàn làm lạnh
o
T=80-100 CLọc bụi
Nồi hơi
AQC
Máy phát điện
Nồi hơi SP
o
T=190-220 C
Lọc bụi
Qụat ID
o
T=500-550 C
Hệ thống khử Oxi
cấp nuớc cho nồi hơi
Tua bin hơi nuớc
o
Hơi nuớc T=330-435 C
Hệ thống van
điều chỉnh
Khí thải T=300-350 C
o
Thiết bị
ngung tụ
Hỡnh 1.3. Mụ hỡnh thu hi nhit kiu khụng bự hi ủn ỏp

Hơi nuớc T=330-435 C
Giàn làm lạnh
Lò nung
o
Nồi hơi
AQC
T=80-100 C
Lọc bụi
o
o
T=500-550 C
Lọc bụi
Qụat ID
T=190-220 C
Nồi hơi SP
Hệ thống van
điều chỉnh
o
Khí thải T=300-350 C
Hệ thống
khử Oxi
cấp nuớc
cho nồi hơi
Hơi nuớc
o
Máy phát
điện
Tua bin hơi nuớc
Thiết bị
ngung tụ

Hỡnh 1.4. Mụ hỡnh kiu bự hi s dng hi th cp hi lu
8
- 8 -
1.3.3. Cỏc ủc trng ca cụng ngh
1.4. CễNG NGH PHT IN TN DNG NHIT D
NHIT THP CHO Lề QUAY XI MNG TH H TH
HAI TRấN TH GII
1.4.1. nh ngha v ủc trng
1.4.1.1. nh ngha
L cụng ngh chuyn ủi nhit d sinh ra t khớ thi t h
thng tin trao ủi nhit v phn lm mỏt clinker ca lũ quay xi mng
kiu mi ( ủõy gi l lũ quay ngn) thnh ủin, tua bin s dng hi
ỏp sut 1,27 - 3,43 MPa, nhit ủ 340 - 435
0
C, vic phỏt ủin khụng
lm nh hng ti cụng sut, cht lng clinker, khụng h thp hiu
sut hot ủng ca lũ, khụng phi thay ủi thit b v quỏ trỡnh cụng
ngh sn xut xi mng, khụng tng sut tiờu hao ủin v nhit ca sn
xut clinker.
1.4.1.2. c trng
Cụng ngh phỏt ủin tn dng nhit d nhit ủ thp th h
th hai cho lũ quay xi mng cú hai hoc nhiu ủc ủim c bn ngoi
Hệ thống khử Oxi
cấp nuớc cho nồi hơi
Giàn làm lạnh
Lọc bụi
o
Nồi hơi
AQC
T=80-100 C

T=500-550 C
Khí thải T=300-350 C
Lò nung
o
o
o
Thiết bị
ngung tụ
Máy phát
điện
Tua bin hơi nuớc
Hơi nuớc T=330-435 C
Lọc bụi
T=190-220 C
Nồi hơi SP
Hệ thống van
điều chỉnh
o
Qụat ID
Hỡnh 1.5. Mụ hỡnh tn dng nhit d bự hi ủa ỏp
9
- 9 -
ñịnh nghĩa trên như sau :
- Tại sàn làm nguội có hai ñiểm rút khí thải nhiệt dư và kết
quả là công suất phát lớn hơn.
- Một nồi hơi quá nhiệt là ñược ñặt gần nồi hơi AQC, với giải
pháp này nhiệt ñộ của hơi sơ cấp sẽ ñược ñiều chỉnh nhưng không bị
ảnh hưởng bởi nhiệt ñộ khí ra từ lò quay.
- Một nồi hơi quá nhiệt ñộc lập sẽ ñược ñặt trong C1 (Tầng
cuối cùng của hệ thống tiền trao ñổi nhiệt) ñể tăng thêm hiệu suất

vận hành, tính ổn ñịnh của nhà máy ñiện
- Hệ thống nước cấp cho nồi hơi AQC và SP là song song
không ảnh hưởng lẫn nhau và hoàn toàn ñộc lập.
- Hệ thống khử ôxy của nước cấp nồi hơi sử dụng nhiệt dư
nhiệt ñộ thấp dưới 145
0
C, không cần tiêu hao hóa chất và năng lượng
ñiện ngoài.
`- Có một bộ ñiều chỉnh lắp tại ñầu ra của nồi hơi SP ñể ñiều
chỉnh nhiệt ñộ khí ñầu ra ñể thỏa mãn các yêu cầu sấy khác nhau trong
các ñiều kiện ñộ ẩm môi trường khác nhau tại các mùa khác nhau.
- Khí làm mát từ sàn làm nguội sẽ ñược tuần hoàn.
1.4.2. Các ñiểm trọng yếu của công nghệ
1.4.3. Đặc trưng của công nghệ
1.5. NHẬN XÉT
Trong chương này, giới thiệu các nguồn nhiệt thải ra môi
trường của các nhà máy xi măng trên thế giới nói chung và xi măng
Sông Gianh nói riêng. Vấn ñề thiếu hụt năng lượng và ô nhiểm môi
trường mà các nhà máy ñang gặp phải. Giới thiệu sự phát triển của hệ
thống thu hồi nhiệt thế hệ thứ nhất và thế hệ thứ hai cho lò quay xi
măng, các hệ thống thu hồi nhiệt trên thế giới ñã ñược áp dụng. Phân
tích ưu nhược ñiểm của từng mô hình thu hồi nhiệt và các ñiểm trọng
yếu của công nghệ thu hồi nhiệt dư nhiệt ñộ thấp lò quay xi măng.
10
- 10 -
CHƯƠNG 2
CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG DÂY CHUYỀN THU HỒI
NHIỆT DƯ
2.1. NỒI HƠI
2.1.1. Khái niệm cơ bản

2.1.2. Các loại nồi hơi
2.2. TURBINE HƠI
2.2.1. Lịch sử phát triển
2.2.2. Khái niệm
2.2.3. Phân loại
2.2.4. Cách nâng cao hiệu suất của chu trình
2.3. DÒNG CHẢY TRONG CÁC LOẠI ỐNG
2.3.1. Dòng chảy trong ống phun lý tưởng
2.3.2. Ống tăng tốc
2.4. NHẬN XÉT
Trong chương này giới thiệu các thiết bị chính trong dây
chuyền hệ thống tận dụng nhiệt dư của nhà máy xi măng. Một số vấn
ñề về nhiệt ñộng học chất khí cũng như các loại ống phun trong dây
chuyền.









11
- 11 -
CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
CỦA TURBINE HƠI
3.1. KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU CHỈNH TURBINE HƠI
Turbine hơi trong nhiệt ñiện dùng ñể kéo máy phát ñiện ñể

sản xuất ñiện năng. Chất lượng dòng ñiện càng cao khi tần số dòng
ñiện càng ổn ñịnh, nghĩa là tốc ñộ quay của máy phát càng ổn ñịnh.
Vì vậy, turbine - máy phát phải làm việc với số vòng quay không ñổi
ñể ñảm bảo cho tần số của dòng ñiện luôn luôn ổn ñịnh.
Mômen quay của roto turbine do công của dòng hơi sinh ra,
còn mômen cản của máy phát do phụ tải ñiện sinh ra trên các cực
của máy phát.
Công suất của turbine ñược tính theo công thức:
N
i
= GH
i
, [kw] (3.1)
Hoặc N
i
= GH
0
η
td

Ở ñây: H
0
là nhiệt dáng lý thuyết của turbine (không kể ñến
tổn thất) (kJ/kg); H
i
là nhiệt dáng thực tế của turbine; η
td
là hiệu suất
trong tương ñối của turbine.
Từ (3.1) ta thấy công suất turbine tỉ lệ thuận với lưu lượng

hơi và nhiệt dáng. Sự cân bằng giữa công suất hiệu dụng trên khớp
trục turbine với phụ tải ñiện ñược biểu diển bằng phương trình:
N
hd
= N
d
+ N
tt
+ (J
t
+ J
mf
)
d
d
τ
Ω
Ω
(3.2)
Trong ñó: J
t
, J
mf
là mô men quán tính của rô to turbine và
máy phát,
N
hd
là công suất hiệu dụng trên khớp trục turbine,
N
d

là công suất ñiện trên các cực của máy phát (phụ thuộc
vào phụ tải tiêu thụ bên ngoài)
12
- 12 -
N
tt
là tổn thất công suất trên các ổ trục và tổn thất nhiệt trong máy
phát.
Từ (3.2) ta thấy: Phụ tải trên các cực của máy phát ñiện N
d

phải luôn luôn cân bằng với công N
hd
trên trục turbine. Nghĩa là sự
thay ñổi phụ tải trên các cực của máy phát phải phù hợp với sự thay
ñổi công suất trên trục turbine. Mỗi giá trị phụ tải xác ñịnh trên cực
của máy phát tương ứng với một giá trị mô men quay trên trục của
turbine, nghĩa là tương ứng với một lưu lương hơi qua turbine. Khi
phụ tải thay ñổi sẽ tạo ra sự mất cân bằng giữa mô men cản và mô
men quay, do ñó dẫn ñến số vòng quay của rô to thay ñổi.
Khi ñang ở trạng thái cân bằng, nếu phụ tải N
d
của máy phát
thay ñổi trong khi mô men quay của turbine chưa thay ñổi (tức N
hd

chưa thay ñổi) sẽ tạo ra sự mất cân bằng giữa công suất của turbine
và công suất của máy phát, theo (3.2) thì tốc ñộ Ω turbine - máy phát
sẽ thay ñổi.
Rõ ràng khi N

d
tăng thì số vòng quay Ω giảm ñi. Để duy trì
Ω = const, cần phải tăng lượng hơi vào turbine ñể tăng công suất N
hd

của turbine lên tương ứng. Tóm lại bất kỳ một sự thay ñổi nào của
phụ tải ñiện cũng sẽ kéo theo sự thay ñổi số vòng quay của turbine
(tốc ñộ quay của rô to turbine - máy phát). Số vòng quay sẽ thay ñổi
ñến chừng nào mà cơ cấu phân phối hơi chưa làm thay ñổi lưu lượng
hơi vào turbine, nghĩa là chưa thiết lập ñược sự cân bằng mới giữa
mô men cản của phụ tải ñiện và mô men quay, tức là giữa công suất
của turbine và công suất của máy phát.
Việc phục hồi lại sự cân bằng của phương trình (3.2) với bất
kỳ sự thay ñổi nào của phụ tải N
d
là nhiệm vụ của bộ ñiều chỉnh tốc
ñộ (tức là ñiều chỉnh số vòng quay). Bộ ñiều chỉnh tốc ñộ ñược nối
13
- 13 -
liên ñộng với cơ cấu tự ñộng ñiều chỉnh van phân phối hơi của
turbine ñể ñiều chỉnh lượng hơi vào turbine phù hợp với phụ tải ñiện.
Khi phụ tải ñiện thay ñổi, cần phải thay ñổi lưu lượng hơi
vào turbine ñể thay ñổi công suất turbine cho phù hợp với sự thay ñổi
phụ tải ñiện.
Lưu lượng hơi ñược thay ñổi nhờ hệ thống phân phối hơi và
hệ thống ñiều chỉnh của turbine.
3.2. MÔ HÌNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC TURBINE HƠI
Tốc ñộ hay công suất của turbine hơi ñược ñiều khiển bởi lưu
lượng hơi ñi vào turbine thông qua việc ñiều khiển van ñiện - thuỷ
lực. Hệ thống ñiều tốc là một vòng lặp kín, bất cứ sự sai lệch tốc ñộ,

sai lệch công suất và sai lệch áp suất ñều ñược ñiều khiển bởi van
ñiều khiển lưu lượng hơi.
Trong hình 3.1 là sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển tốc ñộ của turbine
– máy phát. Trong ñó: m – khối lượng cánh van ñiều khiển lưu lượng
hơi; A – diện tích của piston; P – áp suất buồng trong buồng của
xylanh; P
S
– áp suất vào của van; Q – lưu lượng vào của xylanh; K
A
–
hệ số khuếch ñại của bộ khuếch ñại; K
C
– hệ số khuếch ñại của khâu
phản hồi cảm biến vị trí; I – dòng ñiện ñiều khiển van servo; e – ñiện
áp ñiều khiển; x – hành trình của cánh van có khối lượng m; n – số
vòng quay của trục turbine; Ω - vận tốc góc của trục turbine; M
mp
–
momen trên trục của máy phát ñiện; Q
t
– lưu lượng hơi vào turbine;
K
Ω
- Hệ số khuếch ñại của khâu phản hồi tốc ñộ turbine.

14
- 14 -

Từ sơ ñồ khối chức năng hình 3.2. ta thiết lập ñược sơ ñồ khối
như hình 3.3.
PI
D

Van servo
+xylanh

Van
khí

Turbine
-
máy phát

Cảm biến
v
ị trí

Tốc kế
K

A
e
F
2
F
1
x

Q
t
Ω

u

E
1
i

E
2
-

+

-

Hình 3.2. Sơ ñồ khối chức năng của hệ thống ñiều khiển tốc ñộ
turbine
M¸y ph¸t ®iÖn
Bé ®iÒu

khiÓn PID
P
S
Van servo
i
E1
+
+
+
e
E2
I
u
K
A
+
D
F1
_
+
P
-
F2
Qh
Tèc kÕ
P
Q
(Kc)
Pist«ng
A

m
x
n
Mmp
Qt
Turbine h¬i
Van tiÕt luu
Khíp nèi
I
U,
Hình 3.1. Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển tốc ñộ của turbine – máy phát.
15
- 15 -












Trong ñó : W
PID
((s) – Hàm truyền của bộ ñiều khiển PID;
G
1

(s) – hàm truyền của cụm van servo – xylanh ñiều khiển van hơi;
G
2
(s) – hàm truyền của cụm turbine – máy phát; K
Q
– hệ số quan hệ
lưu lượng khí và hành trình ñóng mở van hơi.
W(s) = G
1
(s).K
Q
.G
2
(s) (3.3)
3.2.1. Cụm van servo - xylanh ñiều khiển van hơi
Mô hình nghiên cứu ñược thiết lập như hình 3.4. ñây là một
hệ thống tự ñộng thủy lực chuyển ñộng tịnh tiến ñiều khiển bằng cụm
servo – xylanh
W
PID
(s)
G
1
(s) K
Q
G
2
(s)
Ω(s)
K

Ω
Q
t
(s)
x(s)
u(s)
E
2
(s
)
e(s)
F
2
(s)
-
+
W
PID
(s)
K
Ω
e(s)
E
2
(s)
u(s)
Ω(s)
F
2
(s)

-
+
W(s)
Hình 3.3. Sơ ñồ khối biến ñổi hàm truyền

Ω(s)/e
(s)

16
- 16 -
P
P
S
V an servo
Q
u
+
E1
i
K
A
F1
_
(Kc)
P ist«ng
A
x
C¸nh va n
m

Ta có các phương trình (3.4) và (3.5)

0
. . .
V
dx
Q K i K p A
dt
= − =
(3.4)

2
2

.
d x
A p m
dt
= ; E
1
.K
A
=I (3.5)
Phương trình Laplace của (3.4) và (3.5) sẽ là :
Q(s) = K
V
.i(s)-K
0
.p(s) = A.s.x(s)
A.p(s) = m.s
2
.x(s) (3.6)
E
1
(s).K
A
= i(s)

u
E
1
-
+
Bộ

khếch
ñại K
A

Van
servo K
V
Cụm pittông
Và van hơi
Cảm biến vị trí
i
Q x
Hình 3.4. Sơ ñồ mạch ñiều khiển cụm van servo – xylanh ñiều
khi
ển van h
ơi

17
- 17 -









(3.7)

3.2.2. Cụm turbine – máy phát
Mô hình nghiên cứu ñược thiết lập như hình 3.7.











Phươngtrìnhlưulượng:
0
. .
h
h t h
dp
Q D R p C
dt
= Ω + +
(3.11)
Phương trình mô men : .
h t ms qt mp
p D M M M
= + +

. .
t t mp

d
f J I K
dt
Ω
= Ω + + (3.12)
2
0
.
( . . )
A V
A K K
S A K m S
+
E
1
(s)
x(s)
K
C
u(s) +
-
Hình 3.6. Sơ ñồ khối của cụm van servo – xylanh ñiều khiển van hơi


U,
I
f
x
Qh
(Kc)

Ph
m
Turbine h¬i
Qt
Mmp
n
M¸y ph¸t ®iÖn
Khíp nèi
Van tiÕt luu
Hình 3.7. Sơ ñồ nguyên lý của cụm turbine – máy phát

1
2 2
0
. .
( )
( )
( ) . . . . . .
A V
A V C
A K K
x s
G s
u s K m s A s A K K K
= =
+ +
18
- 18 -
Trong ñó : D
t

– thể tích của khối turbine
D
t
0
– thể tích trên 1 rad,
0
2
t
t
D
D
π
=
J
t
– giá trị mô men quán tính khối lượng của trục
rôto của turbine và máy phát
f
t
– hệ số ma sát trên trục của turbine và máy phát.
K
mp
– hệ số tỷ lệ mô men của máy phát.
Ω = 2π.n
R – hệ số tổn thất hơi

0
t
D
C

B
= - hệ số ñàn hồi của hơi trong turbine
B – Mô ñun ñàn hồi của hơi
Nếu chuyển qua laplace thì các phương trình (3.11) và (3.12)
thành các phương trình (3.13) và (3.14) như sau :
Q
h
(s) = D
t
0
.Ω(s)+(R+C.s).p
h
(s) (3.13)

D
t
.p
h
(s) = (J
t
.S+f
t
).Ω(s)+M
mp
(s) (3.14)

Từ sơ ñồ khối hình 3.8. ta có hàm truyền (3.15) cụm turbine
– máy phát
(3.15)
Ω(s)
Q
h
(s)
+
-
( . )( . )
t
t t
D
R C S J S f
+ +

0
t
D

Hình 3.8. Sơ ñồ khối của cụm turbine – máy
phát
2
0
( )

( )
( ) ( . )( . ) .
t
h t t t t
D
s
G s
Q s R C s J s f D D
Ω
= =
+ + +
19
- 19 -
Vậy ta có hàm truyền W(s) của bộ ñiều tốc turbine là:

W(s)=G
1
(s).K
Q
.G
2
(s)=
= (3.17)
Trong ñó : K
s
= K
x
K
t
K

Q

3.2.3. Xấp xỉ hàm truyền của quá trình ñiều tốc
Ta thấy cụm turbine – máy phát có khối lương rất lớn so với
cụm servo – xylanh ñiều khiển van hơi và nó ảnh hưởng rất lớn tới bộ
ñiều khiển tốc ñộ turbine.
Do ñó ta có thể bỏ qua khối lượng m của cánh van ñiều khiển
lưu lượng hơi vào turbine. Từ các phương trình (3.7) ta có các
phương trình như (3.18)
1
1
2
3
. .
( )
( )
( ) . . . .
A V G
A V C
A K K K
x s
G s
u s A s AK K K s
α
= = =
+ +
(3.18)
Với:
1
.

A V
G
K K
K
A
=
;
3
. .
A V C
K K K
A
α
=

Từ phương trình (3.15) ta phân tích như phương trình (3.19)
2
2
1 2 1 2
( )
1 ( )( )
t t
K K
G s
T s T s s s
α α
= =
+ + + +
(3.19)
Với:

1
1 2
1
.
T
α α
=
;
2 1 2
1 2
1
( )
.
T
α α
α α
= +

Thay (3.18) và (3.19) vào (3.3) ta có:
W(s)=G
1
(s)K
Q
G
2
(s)=
1
W
3 1 2 3 2 1
. .

( )( )( ) ( )( )( )
G t Q
K K K
K
s s s s s s
α α α α α α
=
+ + + + + +
(3.20)
2 2
1 2 1 2
( 1)( 1)
x t Q
K K K
s s T s T s
τ τ
+ + + +
4 3 2
1 1 1 2 2 1 2 2 1 2 2
( ) ( ) ( ) 1
s
K
Ts T T s T T s T s
τ τ τ τ τ
+ + + + + + +
20
- 20 -
Theo K. Gowrishankar, Vasanth Elancheralathan
Rajiv Gandhi College Of Engg. & tech., Puducherry, India
Với: K

W
= 1; α
3
=0; α
2
=1; α
1
=5 thì (3.20) sẽ là:
1
W( )
( 1)( 5)
s
s s s
=
+ +
(3.21
)
3.3.THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
3.3.1. Giới thiệu
3.3.2. Tối ưu hoá bộ ñiều khiển PID
3.3.2.1. Phương pháp thứ nhất
3.3.2.2. Phương pháp thứ hai
Bộ ñiều khiển PID ñiều chỉnh theo phương pháp thứ hai của
Ziegler-Nichols cho quy tắc.
W
PID
(s)=K
p
(1+1/T
i.

s+T
d.
s)
=0,6.K
p
(1+1/0,5.P
cr.
s+0,125.P
cr.
s)
=0,075.K
cr
P
cr
(s+4/P
cr
)
2
/s
Ta có sơ ñồ khối bộ ñiều khiển PID cho tốc ñộ turbine như
hình 3.15.







Khi cho Ti = ∞ và Td = 0, K
Ω

=1, ta nhận ñược hàm truyền
thu gọn như sau :
Hình 3.15. Bộ ñiều khiển PID ñiều khiển tốc ñộ turbine
Ω(s)
e(s)
W
PID
(s)
E
2
(s)
+
-
1
( 1)( 5)
s s s
+ +
G
(s)

K
Ω
21
- 21 -



Bảng 3.3 Bảng tiêu chuẩn ổn ñịnh Routh
s
3

1

5

s
2
6

K
p

s
1
(30-K
p
)/6 0

s
0
K
p
0

Từ ñó ta có hàm truyền của bộ ñiều khiển PID là :
W
PID
(s)=K
p
(1+1/T
i

.s+T
d
.s)=

=

3.3.3. Phân tích thiết kế bộ ñiều khiển theo phương pháp cổ ñiển
3.4. CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ PID CHO BỘ ĐIỀU TỐC
TURBINE HƠI
Hầu hết các bộ ñiều khiển tốc ñộ turbine ñều sử dụng bộ ñiều
khiển PID, các bộ ñiều khiển này chưa tối ưu hoặc ít bền vững ñối
với sự thay ñổi các tham số trong quá trình vận hành. Tốc ñộ của
turbine hơi bị ảnh hưởng bởi quá nhiều thông số, và các thông số này
thay ñổi liên tục trong quá trình vận hành (áp suất hơi, lưu lượng hơi,
tải của lưới, nồi hơi, ) nên sử dụng bộ ñiều khiển mờ là một trong
những phương pháp so sánh ñể lựa chọn phương pháp ñiều khiển có
chất lượng cao và ñáp ứng với sự thay ñổi các tham số trong quá
trình vận hành.



2
1 6.3223( 1.4235)
18(1 0.35124 )
1.405
s
s
s s
+
+ + =

( )
( ) ( 1)( 5)
p
p
K
s
e s s s s K
Ω
=
+ + +
22
- 22 -
3.4.1. Chỉnh ñịnh mờ tham số PID cho bộ ñiều tốc











Thiết kế khâu FUZZY ñược thể hiện trong hình 3.22.


3.4.2. Kết quả mô phỏng
Sử dụng phần mềm Matlab – Simulink, thực hiện mô phỏng
quá trình với bộ ñiều khiển PID kinh ñiển và bộ ñiều khiển mờ PID

Hình 3.22. So sánh các ñáp ứng thu ñược như ở hình 3.27.

Hình 3.21. Sơ ñồ ñiều khiển sử dụng PID mờ ñiều khiển
tốc ñộ turbine
K
P
+
-
Bộ
FUZZY

Bộ PID
Servo
Motor

Turbine
K
I
K
D
Bộ chỉnh ñịnh mờ tham số PID

de(t)/dt
Hình 3.22. Khối thiết kế khâu FUZZY

23
- 23 -

3.5. NHẬN XÉT
Đã xây dựng ñược mô hình ñiều tốc turbine hơi, viết hàm truyền
cho bộ ñiều tốc. So sánh bộ ñiều khiển PID cổ ñiển so với ñiều khiển mờ
ta thấy rằng ñáp ứng của bộ ñiều khiển PID mờ nhanh hơn bộ ñiều PID
khiển kinh ñiển, ñộ vọt lố của bộ ñiều khiển PID mờ cũng tốt hơn.
Hình 3.27. Mô hình hóa bộ ñiều khiển tốc ñộ trong Matlab-
Simulink

Hình 3.28. Đáp ứng ñầu ra với ñầu vào là hàm nấc thang ñơn vị
24

- 24 -
CHƯƠNG 4
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG WIN CC PHỤC VỤ CHO
CÔNG TÁC ĐÀO TẠO
4.1. GIỚI THIỆU
4.1.1. Soạn thảo projec WINCC
4.1.2. Chọn PLC hoặc Drivers từ Tag Management
4.2.3. Hiệu chỉnh hình ảnh qúa trình (Process Picture)
4.2.3.1. Tạo hình ảnh quá trình
4.2.3.2 Cửa sổ Graphic Desiger
4.2.3.3. Tạo nút nhấn
4.2.3.4. Thiết lập thuộc tính chạy thực.
4.2. GIỚI THIỆU GIAO DIỆN CỦA HỆ THỐNG THU HỒI
NHIỆT DƯ
Mô hình tổng quát hệ thống thu hồi nhiệt ñược áp dụng trong dự
án của nhà máy ñược thể hiện như hình 4.1.




Hình 4.1. Mô phỏng tổng quan hệ thống thu hồi nhiệt dư làm máy
phát ñiện
25
- 25 -
4.3. GIỚITHIỆU CHI TIẾT CÁC MÀN HÌNH GIAO DIỆN
4.3.1. Nồi hơi SP, AQC
4.3.2. Hệ thống WHB Wind
4.3.3. Hệ thống RAC WATER
4.3.4. Hệ thống ST STATE
4.3.5. Hệ thống ST SYSTEM

4.3.6. Hệ thống ñiện cao áp
4.3.7. Hệ thống ñiện hạ áp
4.4. NHẬN XÉT
Đã xây dựng bằng wincc mô hình thu hồi nhiệt dư ñể phục vụ
công tác ñào tạo cán bộ kỹ thuật của nhà máy khi dự án bắt ñầu triển
khai. Giới thiệu và tìm hiểu nguyên lý làm việc của các mô hình ñã
triển khai thành công ở Việt Nam.















26
- 26 -
KẾT LUẬN
1. Kết luận
Đã tính toán thiết kế và phân tích sơ ñồ thu hồi nhiệt tối ưu,
thiết kế mô phỏng sơ ñồ thu hồi nhiệt dư của nhà máy. Xây dựng mô
hình ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi cho máy phát ñiện. Trong ñó ñã
giải quyết và phân tích một số vắn ñề:

1) Phân tích một số mô hình thu hồi nhiệt dư của nhà máy xi
măng ñể lựa chọ mô hình tối ưu nhất cho nhà máy.
2) Thiết kế mô hình ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi bằng bộ ñiều
khiển PID
3) Vẽ ñồ thị ñáp ứng của hệ bằng phần mềm Matlab.
4) Đưa ra phương án chỉnh ñịnh mờ tham số PID cho hệ thống
ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi. So sánh chất lượng của bộ ñiều khiển
PID mờ so với bộ ñiều khiển PID kinh ñiển.
5) Thiết kế mô phỏng bằng WinCC mô hình ñiều khiển và
giám sát hệ thống thu hồi nhiệt phục vụ cho công tác ñào tạo các cán
bộ kỹ thuật của nhà máy.
2. Khả năng ứng dụng của ñề tài
Tính toán thiết kế hệ thống ñiều khiển cho turbine hơi và ứng
dụng vào dự án thu hồi nhiệt ñể phát ñiện tại nhà máy măng
COSEVCO Sông Gianh. Trên cơ sơ này ứng dụng cho các nhà máy
xi măng khác trong nước.
3. Hướng phát triển của ñề tài
Từ phương án chỉnh ñịnh mờ tham số PID có thể phát triển hệ
thống ñiều khiển mờ chuyên gia cho toàn nhà máy. Đây sẽ là một
hướng ñi ñúng ñắn và mới mẻ ở Việt Nam.