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

Header Page 1 of 126.

2

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

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.

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
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.
Đà Nẵng - Năm 2011

Footer Page 1 of 126.

-1-

-2-


Header Page 2 of 126.

3

4

MỞ ĐẦU

phát…Đề tài “Nghiên cứu thiết kế mô hình ñiều khiển turbine hơi

1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Việt Nam hiện nay ñang là nước ñứng ñầu Asian về sản xuất

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

xi măng với sản lượng sản xuất trong năm 2010 ñạt 63 triệu tấn và

nghệ, làm chủ hệ thống khi ñầu tư vào sản xuất.

hơn 60 dây chuyền sản xuất xi măng lò khô ñã ñược xây dựng. Tuy

2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

nhiên, ngành công nghiệp xi măng Việt Nam nói chung và công ty xi

Nghiên cứu lý luận tổng quan, phương pháp thiết kế, xây

măng COSEVCO Sông Gianh nói riêng hiện ñang phải ñối mặt với

dựng bộ ñiều tốc turbine hơi trên cơ sở ñó ứng dụng cho dự án thu

những thách thức lớn như giá ñiện, than dầu tăng liên tục làm ảnh

hồi nhiệt khí thải ñể phát ñiện phục vụ cho nhà máy xi măng

hưởng tới hiệu quả sản xuất kinh doanh công ty. Bên cạnh ñó, tình

COSEVCO Sông Gianh.

trạng thiếu ñiện xẩy ra trong một thời gian dài cũng ñã làm ảnh

3. PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

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

- Nghiên cứu nguyên lý thu hồi nhiệt tối ưu trong nhà máy
sản xuất xi măng.

măng ñể phát ñiện là một việc làm thiết thực và có ý nghĩa rất lớn ñối

- Nghiên cứu thiết kế hệ thống ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi.

với nhà máy xi mang COSEVCO Sông Ganh, nhất là trong bối cảnh

- Xây dựng sơ ñồ công nghệ của hệ thống.

hiện nay khi mà ngành ñiện trong nước chỉ ñảm bảo ñược 80% năng

- Tính toán, thiết lập các thông số hệ thống ñể ñiều khiển tốc

lượng ñiện cho ngành xi măng từ nay ñến năm 2020, còn lại 20%

ñộ turbine hơi.

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

- Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên máy tính.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

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

- Tính toán lý thuyết và mô phỏng hệ thống trên máy tính.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN

máy xi măng có thể tiết kiệm 20% chi phí ñiện năng hàng năm và

-Thiết lập mô hình ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi ứng dụng

giảm ñáng kể khí CO2 thải ra môi trường ngoài. Hiện tại các nhà máy

cho dự án thu hồi nhiệt khí thải ñể phát ñiện tại nhà máy xi măng

xi măng trên thế giới ñã ñưa vào sử dụng hệ thống sử dụng nhiệt dư

COSEVCO Sông Gianh.

ñể phát ñiện, trong nước ñã có một số nhà máy ñưa vào khai thác

6. DỰ KIẾN KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC & KHẢ NĂNG ỨNG

như: Nhà máy xi măng Hà Tiên 2, nhà máy xi măng Công

DỤNG

Thanh…Turbine hơi là thiết bị quan trọng trong dự án thu hồi nhiệt

- Xây dựng mô hình ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi

khí thải, việc ñiều chỉnh ổn ñịnh tốc ñộ turbine hơi quyết ñịnh các chỉ

- Tối ưu hóa hệ thống ñiều khiển turbine hơi

tiêu kỹ thuật của hệ thống phát ñiện, khả năng ổn ñịnh tần số của máy

Footer Page 2 of 126.

-3-

-4-


Header Page 3 of 126.

5

6

- Mụ phng h thng thu hi nhit trờn mỏy tớnh phc v chụ

CHNG 1

cụng tỏc ủo to trc khi ủa dõy chuyn vo s dng.
7. CU TRC LUN VN

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

Ngoi phn m ủu, kt lun v kh nng ng dng ca ủ

XUT XI MNG

ti, danh mc ti liu tham kho v cỏc ph lc, ni dung chớnh ca
H ệ th ốn g va n
đ iề u ch ỉn h

lun vn ủc chia thnh 4 chng nh sau:

Chng 1: Tng quan

T h á p tra o đ ổ i n hiệ t

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
K h í th ả i T = 3 0 0-3 5 0 C

dng lờn mụ hỡnh thu hi nhit lm mỏy phỏt ủin phc v cho ngun

Q ụ a t ID

ủin s thiu ht ca nh mỏy trong tng lai.
Chng 2: Cỏc thit b chớnh trong dõy chuyn thu hi nhit d

o

K h í th ải T = 80 -1 0 0 C

L ò nu n g

Gii thiu mt s thit b chớnh trong dõy chuyn. Nguyờn lý lm

G ià n là m lạ nh

vic ca cỏc thit b v chu trỡnh nhit húa hi.

Lọ c b ụ i

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

Hỡnh 1.1. S ủ khớ thi ra mụi trng ca nh mỏy sn xut xi mng

thut toỏn PID c ủin t ủú chnh ủnh cỏc tham s ca b ủiu

1.1.1. Nhit d thi ra mụi trng ca nh mỏy xi mng Sụng

khin PID bng b ủiu khin fuzzy m.

Gianh

Chng 4: Mụ phng h thng bng WINCC phc v cho cụng tỏc

1.1.2. Nhit d thi ra mụi trng sau thỏp trao ủi nhit

ủo to

1.1.3. Nhit d thi ra mụi trng sau gin lm lnh clanhke
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

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

Footer Page 3 of 126.

-5-

-6-


Header Page 4 of 126.

7

8

1.3.1.2. c ủim c bn

Hệ thống van
điều chỉnh

o

Khí thải T=300-350 C

o

Hơi nuớc T=330-435 C

1.3.2. Cỏc ủim trng yu ca cụng ngh v cu trỳc h thng

Tua bin hơi nuớc

nhit ủng
o

T=190-220 C

1.3.2.2. Cu trỳc h thng nhit ủng

Qụat ID
Lọc bụi

Khí thải T=300-350 C

Lò nung

o

Hơi nuớc T=330-435 C

Hệ thống van
điều chỉnh

o

Thiết bị
ngu ng tụ

Nồi hơi SP

1.3.2.1. Cỏc ủim trng yu ca cụng ngh

Máy phát
điện

Tua bin hơi nuớc

Hệ thống khử Oxi
cấp nuớc cho nồi hơi

o

T=500-550 C
Giàn làm lạnh

Nồi hơi
AQC

Máy phát điện
Thiết bị
ngung tụ

Nồi hơi SP

Lọc bụi

o

T=80-100 C

o

T=190-220 C
Qụat ID
Lọc bụi

Hỡnh 1.5. Mụ hỡnh tn dng nhit d bự hi ủa ỏp
1.3.3. Cỏc ủc trng ca cụng ngh

Hệ thống khử Oxi
cấp nuớc cho nồi hơi

o

T=500-550 C
Giàn làm lạnh

Lò nung

1.4. CễNG NGH PHT IN TN DNG NHIT D
Nồi hơi
AQC

NHIT THP CHO Lề QUAY XI MNG TH H TH
HAI TRấN TH GII
o

Lọc bụi

T=80-100 C

Hỡnh 1.3. Mụ hỡnh thu hi nhit kiu khụng bự hi ủn ỏp

o

o

Khí thải T=300-350 C

Hơi nuớc T=330-435 C

Hệ thống van
điều chỉnh

Tua bin hơi nuớc

Máy phát
điện
Thiết bị
ngung tụ

Nồi hơi SP
o

T=190-220 C

Hơi nuớc

Qụat ID
Lọc bụi

Hệ thống
khử Oxi
cấp nuớc
cho nồi hơi

o

Lò nung

T=500-550 C
Giàn làm lạnh

Nồi hơi
AQC

Lọc bụi

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

o

T=80-100 C

Hỡnh 1.4. Mụ hỡnh kiu bự hi s dng hi th cp hi lu

Footer Page 4 of 126.

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 - 4350C, 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

-7-

-8-


Header Page 5 of 126.

9

10

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 1450C, 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.

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

1.4.2. Các ñiểm trọng yếu của công nghệ

ñề về nhiệt ñộng học chất khí cũng như các loại ống phun trong dây

1.4.3. Đặc trưng của công nghệ

chuyền.

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.

Footer Page 5 of 126.

-9-

- 10 -


Header Page 6 of 126.

11

12

CHƯƠNG 3

Ntt là tổn thất công suất trên các ổ trục và tổn thất nhiệt trong máy

THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ

phát.
Từ (3.2) ta thấy: Phụ tải trên các cực của máy phát ñiện Nd

CỦA TURBINE HƠI
3.1. KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU CHỈNH TURBINE HƠI

phải luôn luôn cân bằng với công Nhd trên trục turbine. Nghĩa là sự

Turbine hơi trong nhiệt ñiện dùng ñể kéo máy phát ñiện ñể

thay ñổi phụ tải trên các cực của máy phát phải phù hợp với sự thay

sản xuất ñiện năng. Chất lượng dòng ñiện càng cao khi tần số dòng

ñổi công suất trên trục turbine. Mỗi giá trị phụ tải xác ñịnh trên cực

ñiện càng ổn ñịnh, nghĩa là tốc ñộ quay của máy phát càng ổn ñịnh.

của máy phát tương ứng với một giá trị mô men quay trên trục của

Vì vậy, turbine - máy phát phải làm việc với số vòng quay không ñổi

turbine, nghĩa là tương ứng với một lưu lương hơi qua turbine. Khi

ñể ñảm bảo cho tần số của dòng ñiện luôn luôn ổn ñịnh.

phụ tải thay ñổi sẽ tạo ra sự mất cân bằng giữa mô men cản và mô

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

men quay, do ñó dẫn ñến số vòng quay của rô to thay ñổi.
Khi ñang ở trạng thái cân bằng, nếu phụ tải Nd của máy phát
thay ñổi trong khi mô men quay của turbine chưa thay ñổi (tức Nhd

của máy phát.
Công suất của turbine ñược tính theo công thức:
Ni = GHi , [kw]

chưa thay ñổi) sẽ tạo ra sự mất cân bằng giữa công suất của turbine
(3.1)

Hoặc Ni = GH0ηtd

và công suất của máy phát, theo (3.2) thì tốc ñộ Ω turbine - máy phát
sẽ thay ñổi.

Ở ñây: H0 là nhiệt dáng lý thuyết của turbine (không kể ñến

Rõ ràng khi Nd tăng thì số vòng quay Ω giảm ñi. Để duy trì

tổn thất) (kJ/kg); Hi là nhiệt dáng thực tế của turbine; ηtd là hiệu suất

Ω = const, cần phải tăng lượng hơi vào turbine ñể tăng công suất Nhd

trong tương ñối của turbine.

của turbine lên tương ứng. Tóm lại bất kỳ một sự thay ñổi nào của

Từ (3.1) ta thấy công suất turbine tỉ lệ thuận với lưu lượng

phụ tải ñiện cũng sẽ kéo theo sự thay ñổi số vòng quay của turbine

hơi và nhiệt dáng. Sự cân bằng giữa công suất hiệu dụng trên khớp

(tốc ñộ quay của rô to turbine - máy phát). Số vòng quay sẽ thay ñổi

trục turbine với phụ tải ñiện ñược biểu diển bằng phương trình:

ñến chừng nào mà cơ cấu phân phối hơi chưa làm thay ñổi lưu lượng

Nhd = Nd + Ntt + (Jt + Jmf) Ω

dΩ
dτ

(3.2)

Trong ñó: Jt, Jmf là mô men quán tính của rô to turbine và

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

máy phát,
Nhd là công suất hiệu dụng trên khớp trục turbine,

kỳ sự thay ñổi nào của phụ tải Nd là nhiệm vụ của bộ ñiều chỉnh tốc

Nd là công suất ñiện trên các cực của máy phát (phụ thuộc

ñộ (tức là ñiều chỉnh số vòng quay). Bộ ñiều chỉnh tốc ñộ ñược nối

vào phụ tải tiêu thụ bên ngoài)

Footer Page 6 of 126.

- 11 -

- 12 -


Header Page 7 of 126.

13

14

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.

Pist«ng

Van tiÕt luu

x

Khi phụ tải ñiện thay ñổi, cần phải thay ñổi lưu lượng hơi

A

vào turbine ñể thay ñổi công suất turbine cho phù hợp với sự thay ñổi

P

phụ tải ñiện.

Qt

m

Tèc kÕ

Turbine h¬i
Khíp nèi
Mmp

(Kc)

Q

M¸y ph¸t ®iÖn

Qh

Lưu lượng hơi ñược thay ñổi nhờ hệ thống phân phối hơi và

n

hệ thống ñiều chỉnh của turbine.

U, I

3.2. MÔ HÌNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC TURBINE HƠI
Van servo

Tốc ñộ hay công suất của turbine hơi ñược ñiều khiển bởi lưu

PS
P

i

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,

KA

_ F1
+u
E1

+

I

E2

- F2
+

e

+

Bé ®iÒu
khiÓn PID

sai lệch công suất và sai lệch áp suất ñều ñược ñiều khiển bởi van

+

D

ñiều khiển lưu lượng hơi.
Trong hình 3.1 là sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển tốc ñộ của turbine

Hình 3.1. Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển tốc ñộ của turbine – máy phát.

– 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; PS – áp suất vào của van; Q – lưu lượng vào của xylanh; KA –
hệ số khuếch ñại của bộ khuếch ñại; KC – hệ số khuếch ñại của khâu
phản hồi cảm biến vị trí; I – dòng ñiện ñiều khiển van servo; e – ñiện

e

+

-

E2
F2

PI
D

u

E1

KA

i

Van servo
+xylanh

x

Van Qt
khí

Turbine
-máy phát

- F1
Cảm biến
vị trí

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; Mmp –
momen trên trục của máy phát ñiện; Qt – lưu lượng hơi vào turbine;

Tốc kế

KΩ - Hệ số khuếch ñại của khâu phản hồi tốc ñộ turbine.

Hình 3.2. Sơ ñồ khối chức năng của hệ thống ñiều khiển tốc ñộ
turbine
Từ sơ ñồ khối chức năng hình 3.2. ta thiết lập ñược sơ ñồ khối
như hình 3.3.

Footer Page 7 of 126.

- 13 -

- 14 -

Ω


Header Page 8 of 126.

15

16
x

P ist« ng

E2(s)

e(s) +

-

F2(s)

WPID(s)

u(s)

G1(s)

x(s)

Qt(s)

KQ

Ω(s)

G2(s)

A

C ¸ nh van

m

P
Q

(K c)

KΩ

F1
_

i

e(s) +

-

E2(s)

WPID(s)

u(s)

W(s)

KA

Ω(s)

E1

+u

V an servo
PS

F2(s)
u+

E1

KΩ

-

Hình 3.3. Sơ ñồ khối biến ñổi hàm truyền

Bộ
khếch
ñại KA

i

Van
servo KV

Q

Cụm pittông
Và van hơi

x

Trong ñó Ω(s)/e(s)
: WPID((s) – Hàm truyền của bộ ñiều khiển PID;
G1(s) – hàm truyền của cụm van servo – xylanh ñiều khiển van hơi;
Cảm biến vị trí

G2(s) – hàm truyền của cụm turbine – máy phát; KQ – hệ số quan hệ
lưu lượng khí và hành trình ñóng mở van hơi.
W(s) = G1(s).KQ.G2(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

Hình 3.4. Sơ ñồ mạch ñiều khiển cụm van servo – xylanh ñiều
khiển van hơi
Ta có các phương trình (3.4) và (3.5)

Q = KV .i − K 0 . p = A.

A. p = m

dx
dt

d 2x
; E1.KA=I
dt 2

(3.4)
(3.5)

Phương trình Laplace của (3.4) và (3.5) sẽ là :
Q(s) = KV.i(s)-K0.p(s) = A.s.x(s)
A.p(s) = m.s2.x(s)
E1(s).KA = i(s)

Footer Page 8 of 126.

- 15 -

- 16 -

(3.6)


Header Page 9 of 126.

17

E1(s)

u(s) +

18
x(s)

A.K A KV
S ( A2 + K 0 .m.S )

-

Trong ñó : Dt – thể tích của khối turbine
Dt0 – thể tích trên 1 rad, Dt 0 =

Dt
2π

Jt – giá trị mô men quán tính khối lượng của trục
rôto của turbine và máy phát

KC

ft – hệ số ma sát trên trục của turbine và máy phát.
Kmp – hệ số tỷ lệ mô men của máy phát.

Hình 3.6. Sơ ñồ khối của cụm van servo – xylanh ñiều khiển van hơi

Ω = 2π.n
R – hệ số tổn thất hơi

A.K A .KV
x( s )
G1 ( s ) =
=
2
u ( s ) K 0 .m.s + A2 .s + A.K A .KV .KC

C=

(3.7)

B – Mô ñun ñàn hồi của hơi

3.2.2. Cụm turbine – máy phát

Nếu chuyển qua laplace thì các phương trình (3.11) và (3.12)

Mô hình nghiên cứu ñược thiết lập như hình 3.7.

thành các phương trình (3.13) và (3.14) như sau :

V an tiÕt luu
x
m
Ph

Qt

Dt 0

- hệ số ñàn hồi của hơi trong turbine
B

Turbine h¬i
f

Qh

K híp nèi

(K c)

M ¸y ph¸t ®iÖn

Mmp

Qh(s)

+

Qh(s) = Dt0.Ω(s)+(R+C.s).ph(s)

(3.13)

Dt.ph(s) = (Jt.S+ft).Ω(s)+Mmp(s)

(3.14)

Dt
( R + C.S )( J t .S + f )t

n

-

Ω(s)

U, I
0

Dt

Hình 3.7. Sơ ñồ nguyên lý của cụm turbine – máy phát

dph
dt
Phương trình mô men : ph .Dt = M ms + M qt + M mp

Phươngtrìnhlưulượng: Qh = Ω.Dt 0 + R. ph + C

= f t .Ω + J t

Footer Page 9 of 126.

- 17 -

dΩ
+ I .K mp
dt

Hình 3.8. Sơ ñồ khối của cụm turbine – máy
phát

(3.11)

Từ sơ ñồ khối hình 3.8. ta có hàm truyền (3.15) cụm turbine
(3.12)

– máy phát
G2 (s) =

Dt
Ω(s)
=
Qh (s) (R + C.s)(Jt .s + ft ) + Dt .Dt 0

- 18 -

(3.15)


Header Page 10 of 126.

19

20
Theo K. Gowrishankar, Vasanth Elancheralathan

Vậy ta có hàm truyền W(s) của bộ ñiều tốc turbine là:
W(s)=G1(s).KQ.G2(s)=

=

Rajiv Gandhi College Of Engg. & tech., Puducherry, India

K x Kt KQ

Với: KW = 1; α3=0; α2=1; α1=5 thì (3.20) sẽ là:

(τ 1s 2 + τ 2 s + 1)(T1 s 2 + T2 s + 1)
Ks
(3.17)
4
3
2
τ1Ts
1 + (τ1T2 +τ2T1)s + (τ2T2 + T1)s + (τ2 +T2 )s +1

Trong ñó : Ks = KxKtKQ
3.2.3. Xấp xỉ hàm truyền của quá trình ñiều tốc

W( s ) =

1
s ( s + 1)( s + 5)

(3.21)

3.3.THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

Ta thấy cụm turbine – máy phát có khối lương rất lớn so với

3.3.1. Giới thiệu

cụm servo – xylanh ñiều khiển van hơi và nó ảnh hưởng rất lớn tới bộ

3.3.2. Tối ưu hoá bộ ñiều khiển PID

ñiều khiển tốc ñộ turbine.

3.3.2.1. Phương pháp thứ nhất

Do ñó ta có thể bỏ qua khối lượng m của cánh van ñiều khiển

3.3.2.2. Phương pháp thứ hai
Bộ ñiều khiển PID ñiều chỉnh theo phương pháp thứ hai của

lưu lượng hơi vào turbine. Từ các phương trình (3.7) ta có các

Ziegler-Nichols cho quy tắc.

phương trình như (3.18)

G1 ( s ) =

A.K A .KV
K
x( s)
= 2
= G1
u ( s ) A .s + A.K A .KV .K C s + α 3

WPID(s)=Kp(1+1/Ti.s+Td.s)

(3.18)

=0,6.Kp(1+1/0,5.Pcr.s+0,125.Pcr.s)
=0,075.KcrPcr(s+4/Pcr)2/s

K .K
K .K .K
Với: K G1 = A V ; α 3 = A V C
A
A

Ta có sơ ñồ khối bộ ñiều khiển PID cho tốc ñộ turbine như

Từ phương trình (3.15) ta phân tích như phương trình (3.19)
G2 ( s ) =

Kt
Kt
=
T1s + T2 s + 1 ( s + α1 )( s + α 2 )

Với: T1 =

2

hình 3.15.
E2(s)

e(s) +

1
s ( s + 1)( s + 5)

WPID(s)

(3.19)

G (s)

-

1
1
; T2 =
(α + α )
α1.α 2
α1.α 2 1 2

Ω(s)

KΩ

Thay (3.18) và (3.19) vào (3.3) ta có:
Hình 3.15. Bộ ñiều khiển PID ñiều khiển tốc ñộ turbine
Khi cho Ti = ∞ và Td = 0, KΩ=1, ta nhận ñược hàm truyền

W(s)=G1(s)KQG2(s)=

K G1 .K t .K Q
( s + α 3 )( s + α1 )( s + α 2 )

Footer Page 10 of 126.

=

KW
( s + α 3 )( s + α 2 )( s + α1 )

- 19 -

(3.20)

thu gọn như sau :

- 20 -


Header Page 11 of 126.

21

22

Kp
Ω( s )
=
e( s ) s ( s + 1)( s + 5) + K p

3.4.1. Chỉnh ñịnh mờ tham số PID cho bộ ñiều tốc
Bộ chỉnh ñịnh mờ tham số PID

Bảng 3.3 Bảng tiêu chuẩn ổn ñịnh Routh
s

3

1

5

s

2

6

Kp

(30-Kp)/6

0

Kp

0

s1
s

0

Từ ñó ta có hàm truyền của bộ ñiều khiển PID là :

Bộ
FUZZY
de(t)/dt

KP

KI

KD
Servo
Motor

Bộ PID

+

Turbine

-

WPID(s)=Kp(1+1/Ti.s+Td.s)=
=

18(1 +

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

Hình 3.21. Sơ ñồ ñiều khiển sử dụng PID mờ ñiều khiển
tốc ñộ turbine
Thiết kế khâu FUZZY ñược thể hiện trong hình 3.22.

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.

Hình 3.22. Khối thiết kế khâu FUZZY
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.

Footer Page 11 of 126.

- 21 -

- 22 -


Header Page 12 of 126.

23

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

Hình 3.27. Mô hình hóa bộ ñiều khiển tốc ñộ trong MatlabSimulink

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

Hình 4.1. Mô phỏng tổng quan hệ thống thu hồi nhiệt dư làm máy
phát ñiện

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.

Footer Page 12 of 126.

- 23 -

- 24 -


Header Page 13 of 126.

25

26

4.3. GIỚITHIỆU CHI TIẾT CÁC MÀN HÌNH GIAO DIỆN
4.3.1. Nồi hơi SP, AQC

KẾT LUẬN
1. Kết luận
Đã tính toán thiết kế và phân tích sơ ñồ thu hồi nhiệt tối ưu,

4.3.2. Hệ thống WHB Wind
4.3.3. Hệ thống RAC WATER

thiết kế mô phỏng sơ ñồ thu hồi nhiệt dư của nhà máy. Xây dựng mô

4.3.4. Hệ thống ST STATE

hình ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi cho máy phát ñiện. Trong ñó ñã

4.3.5. Hệ thống ST SYSTEM

giải quyết và phân tích một số vắn ñề:

4.3.6. Hệ thống ñiện cao áp

1) Phân tích một số mô hình thu hồi nhiệt dư của nhà máy xi

4.3.7. Hệ thống ñiện hạ áp

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

4.4. NHẬN XÉT
Đã xây dựng bằng wincc mô hình thu hồi nhiệt dư ñể phục vụ

khiển PID

công tác ñào tạo cán bộ kỹ thuật của nhà máy khi dự án bắt ñầu triển

3) Vẽ ñồ thị ñáp ứng của hệ bằng phần mềm Matlab.

khai. Giới thiệu và tìm hiểu nguyên lý làm việc của các mô hình ñã

4) Đưa ra phương án chỉnh ñịnh mờ tham số PID cho hệ thống

triển khai thành công ở Việt Nam.

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.

Footer Page 13 of 126.

- 25 -

- 26 -