Nghiên cứu tìm hiểu nguyên lý hoạt động và các phương pháp điều khiển tua bin khí
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.03 MB, 71 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------
NGUYỄN HỮU NHÀN
NGHIÊN CỨU, TÌM HIỂU
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CÁC
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
TUA-BIN KHÍ
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ
TỰ ĐỘNG HĨA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUY ỄN DỖN PHƯỚC
HÀ NỘI 2008
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN HỮU NHÀN
NGHIÊN CỨU, TÌM HIỂU
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CÁC
PHƯƠNG PH ÁP ĐIỀU KHIỂN
TUA-BIN KHÍ
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
HÀ NỘI 2008
Trường ĐHBK Hà Nội
Luận Văn Tốt Nghiệp
Mơc lơc
1 Lêi nãi đầu ...................................................................................4
2 Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý làm viƯc
cđa tua-bin khÝ .........................................................................7
19T
1 9T
19T
19T
1 9T
19T
19T
19 T
2.1 CÊu t¹o cđa tua-bin khí ...................................................................... 7
2.1.1 Máy nén ........................................................................................ 10
2.1.2 Buồng đốt ..................................................................................... 11
2.1.3 Tua-bin .......................................................................................... 12
19T
19 T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
1 9T
19T
19T
2.2 Nguyên lý hoạt động ................................................................... 12
19T
19T
19T
19T
3 Mô hình tua-bin khi và các phương pháp
điều khiển ...................................................................................16
19T
1 9T
19T
1 9T
3.1 Cấu trúc khối của tua-bin khí .................................................... 16
19T
19T
19T
3.1.1
3.1.2
19T
Về phần đối tượng ........................................................................ 16
Về phần điều khiển ...................................................................... 17
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19 T
19 T
3.2 Nguyên tắc xây xựng mô hình tua-bin .................................. 20
19T
19T
19T
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.2.5
19T
Tầm quan trọng của việc xây dựng mô hình ............................. 20
Động học cơ bản của tua-bin khí ............................................... 21
Các bước xây dựng mô hình ....................................................... 21
Nguyên tắc xây dựng mô hình cho tua-bin khí ......................... 23
Những quá trình tức thời trong động cơ tua-bin khí .................. 27
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19 T
19 T
19T
19T
19 T
3.3 Mô hình hóa phía đối tượng ...................................................... 28
19T
19T
19T
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
19T
Mô hình buồng đốt ....................................................................... 29
Mô hình tua-bin trong quá trình chuyển đổi nhiệt độ ............... 29
Mô hình tua-bin trong quá trình chuyển đổi tốc độ ................... 32
Khối động học cđa hƯ thèng cÊp nhiªn liƯu .............................. 33
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19 T
19T
19 T
19 T
3.4 Mô hình hóa phía điều khiển .................................................... 35
19T
19T
19T
3.4.1
3.4.2
3.4.3
19T
Vòng điều khiển tốc độ ................................................................ 36
Vòng điều khiển nhiệt độ ............................................................ 38
Vòng điều khiển gia tốc ............................................................... 42
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19 T
19 T
19 T
Ngửụứi thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007
2
Trửụứng ẹHBK Haứ Noọi
Luaọn Vaờn Toỏt Nghieọp
4 Thực hành mô phỏng điều khiển tua-bin
bằng công mô phỏng MatLab .................................48
19T
1 9T
19T
19T
4.1
4.2
4.3
4.4
Các thông số đối tượng được sử dụng .................................. 48
Sơ đồ mô phỏng tương đương trên Simulink ...................... 49
Các kết quả mô phỏng thu được ............................................. 49
Kết luận và kiến nghị vỊ híng ph¸t triĨn ........................... 59
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
4.4.1
4.4.2
KÕt ln ......................................................................................... 59
Híng ph¸t triển .......................................................................... 60
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19T
19 T
Tài liệu tham khảo ......................................................................................... 61
19T
Bổ sung lý thut ..................................................................62
5
19T
19 T
1 9T
19T
19 T
5.1 Bé ®iỊu khiĨn PID ............................................................................... 62
5.1.1 Khâu khuếch đại (P) ...................................................................... 62
5.1.2 Thành phần tích phân .................................................................... 63
5.1.3 Thành phần tỷ lệ tích phân ............................................................. 63
5.1.4 Thành phần tỷ lệ vi phân ................................................................ 64
5.1.5 Thành phần tỷ lệ vi tích phân ......................................................... 65
5.2 Bộ ®iỊu khiĨn Lead/Lag. ..................................................................... 67
5.3 Bé ®iỊu khiĨn PID ............................................................................... 67
5.3.1 Khâu khuếch đại (P) ...................................................................... 67
5.3.2 Thành phần tích phân .................................................................... 68
5.3.3 Thành phần tỷ lệ tích phân ............................................................. 69
5.3.4 Thành phần tỷ lệ vi phân ................................................................ 70
5.3.5 Thành phần tỷ lệ vi tích phân ......................................................... 70
19T
19 T
19T
19 T
19T
19 T
19T
19T
19 T
19T
19T
19 T
19T
19T
19 T
19T
19T
19 T
19T
19T
19 T
19T
19T
19 T
19T
19T
19T
19 T
19 T
19 T
19 T
19 T
19T
19 T
19T
19T
19 T
19T
19T
19 T
19T
19T
19 T
19T
19T
19 T
19T
19T
19T
19 T
19 T
19 T
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007
3
Trửụứng ẹHBK Haứ Noọi
1
Luaọn Vaờn Toỏt Nghieọp
Lời nói đầu
Tua-bin khớ là một thiết bị có nhiệm vụ chủ yếu là chuyển hóa năng
lượng nhiên liệu khí hoặc nhiên liệu dầu thành cơ năng quay trục đểø tạo công
suất đầu ra, ký hiệu là Pe (Power electric), cho máy phát điện (generator).
Thiết bị tua-bin khí đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong nhà máy điện
và có tính quyết định trong ngành sản xuất điện năng.
Trong nước ta, từ năm 1997 đến nay nhu cầu sử dụng điện ngày một
tăng. Hằng năm có nhiều nhà máy điện được xây dựng với công suất ngày
càng tăng, nhất là trong khu vực phía Nam đặt biệt là tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu.
Các nhà máy nhiệt điện được xây dựng chủ yếu là sử dụng tua-bin khí. Theo
số liệu thống kê đến nay toàn tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu có khoảng trên 25 tua-bin
khí được cung cấp từ rất nhiều hãng khác nhau (Alston power, Siemens...) với
tổng công suất lên đến vài chục ngàn MW. Nhưng sự hiểu biết chung cũng như
cập nhật vềø phần điều khiển tua-bin khí còn giới hạn. Để có sự hiểu biết
chung về điều khiển tua-bin khí, sử dụng tốt các thiết bị, từng bước từng bước
đạt đến khả năng có thể tự sửa chữa, cải tạo tua-bin khí đòi hỏi chúng ta phải
nắm vững lý thiết, nguyên lý hoạt động, nguyên tắc điều kiển và một số phần
phụ khác.... Từ yêu cầu này, luận văn với đề tài "Nghiên cứu, tìm hiểu nguyên
lý hoạt động và các phương pháp điều khiển tua-bin khi" với những nội dung
chính như sau:
− Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý làm việc của cơ tua-bin khí.
− Nghiên cứu các phương pháp điều khiển tua-bin khí.
− Xây dựng mô hình tua-bin khí và các thuật toán điều khiển.
− Thực hiện mô phỏng trên MatLab để kiểm chứng lại mô hình và thuật
toán điều khiển.
Trong luận văn em đã sử dụng những ký hiệu sau:
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007
4
Trường ĐHBK Hà Nội
PU
Công suất danh định Tua-bin
W
Hệ số khuếch đại =1/droop (pu MW/ pu speed)
X
Hằng số thời gian Lead điều tốc (s)
Y
Hằng số thời gian Lag điều tốc (s)
Z
Hằng số kiểu điều tốc (1=droop, 0 đẳng thời )
Max
Yêu cầu giới hạn trên (pu)
Min
Yêu cầu giới hạn dưới (pu)
a,b,c
Thông sô về vị trí van
wmin
Lưu lượng nhiên liệu min
τF
Hằng số thời gian điều khiển nhiên liệu (s)
KF
Phản hồi hệ thống nhiên liệu
ECR
Thời gian trễ phản ứng buồng đốt (s)
ETD
Trễ khí nóng thoát và tua-bin (s)
TCD
Hằng số thời gian khối lượng sự thả máy nén (s)
TR
Nhiệt độ khí nóng thoát tốc độ tua-bin ( 0 F )
TT
Tốc độ tích phân bộ điều khiển nhiệt độ ( 0 F )
Tm
Hằng số thời gian bộ đo nhiệt
C
Nhiệt riêng [J/ kgK]
h
Entanpi riêng
m
Khối lượng [kg]
n
Số vòng quay [1/giây]
p
p suất [Pa]
ω
Tốc độ lưu lượng khối lượng không thứ nguyên [-]
t
Thời gian [giây]
wf
Lưu lượng nguyên liệu
M
Mô men xoắn [Nm]
Q
Lưu lượng nhiệt trên một đơn vị thời gian [J/s]
T
Nhiệt độ [k]
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007
Luận Văn Tốt Nghiệp
5
Trường ĐHBK Hà Nội
R
Hằng số khí riêng [J/kgK]
U
Năng lượng bên trong [J]
V
Thể tích [m 3 ]
η
Hiệu suất [-]
pT
Công suất tua bin
pe
Công suất máy phát
IGV
Luận Văn Tốt Nghiệp
Cánh hướng không khí vào
Luận văn đã được hoàn thành với sự giúp đỡ nhiệt tình về chuyên môn của
thầy PGS.TS. Nguyễn Doãn Phước và của các thầy cô trong Bộ môn Điều
khiển Tự động, sự giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện của gia đình và
bạn bè. Em xin được gửi tới thầy cô, gia đình, bạn bè lời cám ơn chân thành.
Hệ thống điều khiển tua-bin là một lónh vực mới ở Việt Nam, do vậy mặc
dù đã cố gắng nhưng chắc cũng không thể tránh khỏi thiếu sót trong qúa trình
tìm hiểu. Em rất mong nhận được sự góp ý và bổ sung của các thầy cô giáo.
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007
6
Trửụứng ẹHBK Haứ Noọi
Luaọn Vaờn Toỏt Nghieọp
2
Nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý làm việc
của tua-bin khí
2.1
Cấu tạo của tua-bin khÝ
Xây dựng mô hình cho động cơ tua-bin khí đã là một chủ đề quan trọng từ
những ngày rất sớm, có thể nói là từ khi ra đời động cơ phản lực. Sự phát triển
của tua-bin khí được bắt đầu ở Anh và Đức. Một nhóm người Anh đứng đầu
bởi Frank Whittle chế tạo nên động cơ phản lực đầu tiên và thử nghiệm vào
tháng 4-1937. Điều này đã được theo đuổi bởi sự phát triển của nhiều thực
nghiệm động cơ tua-bin khí cho động cơ máy bay. Động cơ tua-bin khí sớm đã
trở thành phổ biến như động cơ phản lực được dùng cho quân đội và trong
thương mại. Những tua-bin khí bây giờ được sử dụng rộng rãi trong phi cơ và
trong công nghiệp như nhà máy điện nơi mà chúng là máy phát điện chính.
Tua-bin khí thậm chí được tìm thấy áp dụng trong tàu biển, xe lửa...
Động cơ tua-bin khí là một hệ thống phức tạp và bao gồm một số của
những hệ thống phụ. Vì thế làm mô hình toán học cho chúng và thiết kế điều
khiển để môø phỏng trên Matlab về động cơ tua-bin khí là rất cần thiết. Những
phương trình nhiệt động học tuyến tính hóa được dựa trên những nguyên tắc
ứng dụng khoa học, đầu tiên sử dụng những phương trình đại số cho quá trình
nhiệt động học và những phương trình vi phân để xây dựng mô hình bản chất
động học của hệ thống. Các phương trình đã xuất phát từ sự mô tả tính tónh và
tính động của tua-bin khí tại những điểm làm việc khác nhau. Từ những định
luật vật lý và những nguyên tắc chủ đạo những hệ thống phụ được dùng để
xác định những phương trình hệ thống, và từ đây một mô hình thuật toán được
đưa ra. Những mô hình này kết hợp chặt chẽ kiến thức với mục đích để làm
thế nào những thiết bị khác nhau sẽ tác động đáp ứng đến những đầu vào thì
có tác dụng được đến những thiết bị này. Mô hình toán học thường được chia
làm hai loại cụ thể là: Hàm truyền đạt (điều khiển lớp), nếu hệ thống là tuyến
tính và mô hình trạng thái (điều khiển đa biến). Tiêu biểu, sự phát triển của
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007
7
Trường ĐHBK Hà Nội
Luận Văn Tốt Nghiệp
một hệ thống điều khiển động cơ đòi hỏi xây dựng mô hình thuật toán, phép
lấy đạo hàm mô hình mô phỏng động cơ, sự giảm cấp mô hình, thiết kế bộ
điều khiển, xác minh sự mô phỏng và xác minh thực nghiệm. Lúc nào cũng
vậy nhiệm vụ đầu tiên và cuối cùng là phức tạp nhất. Những kết qủa chính xác
phụ thuộc phần lớn vào sự tương thích qui trình xây dựng mô hình.
Việc xây dựng mô hình cho tua-bin khí có thể được tiếp cận bằng những kỹ
thuật tuyến tính và phi tuyến. Một mô hình tuyến tính hóa chuẩn có thể được
dùng gần giống một hệ thống phi tuyến gần điểm cân bằng bởi sự tuyến tính
hóa. Đôi khi những mô hình tuyến tính thì chỉ có một sự gần đúng đến hệ
thống phi tuyến, chúng thì thuận tiện để phân tích và cho ra sự thấu hiểu đáng
kể vào sự tác động của hệ thống phi tuyến gần điểm cân bằng. Ngoài ra sự mô
phỏng phi tuyến mà kết hợp động học phi tuyến của những động cơ có thể
được sử dụng để phát triển những mô hình thuật toán tại những điểm làm việc
khác nhau bằng sử dụng mã bộ phát ma trận tuyến tính trong sự kết hợp với
mã mô phỏng phi tuyến. Tại những điểm khác nhau trong dãy làm việc của
đường bao những mô hình thuật toán tuyến tính thì đạt được bằng sử dụng
những kỹ thuật mô phỏng. Sự chọn lựa mô hình tuyến tính có thể được thực
hiện sau đó.
Các nhu cầu của những mô hình động cơ thì bao gồm cả giai đoạn phát
triển và tuổi thọ hoạt động của tua-bin khí. Trong giai đoạn phát triển, những
mô hình cung cấp thấu hiểu bên trong vào sự tác động động cơ, vật lý và cho
phép tất cả những chi tiết hệ thống điều khiển được vạch rõ. Từ đây những mô
hình hoàn thiện cần được phát triển, mà sự kết hợp chặt chẽ tất cả những hiệu
qủa thứ yếu được bắt gặp bởi hệ thống động cơ để mà chúng ta phát triển một
mô hình đơn giản hóa động lực học của tua-bin khí cho những mục đích điều
khiển. Những điều này xác định đặc điểm các đặc tính đáp ứng của động cơ.
Sử dụng sự mô phỏng một tua bin khí có thể được dùng để dự đoán hiệu suất
của động cơ bằng việc sử dụng mô hình thuật toán đã được phát triển. Hiệu
suất của mô hình động cơ có thể bị thay đổi sử dụng dữ liệu thực được thu thập
từ một tua-bin khí, sau khi mà các tham số mô hình có thể được cập nhập.
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007
8
Trường ĐHBK Hà Nội
Luận Văn Tốt Nghiệp
Những tham số của mô hình động cơ có thể được phân tích để mà thay đổi giả
định về những đặc tính động cơ. Hiệu suất của động cơ tua bin khí được đánh
giá bằng sự nhận thấy chính đầu ra hoặc đáp ứng của biến trạng thái đến thay
đổi ở biến đầu vào hoặc biến nhiễu. Tốc độ đáp ứng của tua-bin khí đến bộ
điều chỉnh hoặc thay đổi tải là tới hạn. Tốc độ đáp ứng tốt được yêu cầu cho
những lý do tác động hiệu qủa và sự an toàn. Tại cùng thời điểm tốc độ vượt
qúa của trục, máy nén và dao động lớn nên được tránh. Đáp ứng động cơ
nhanh được yêu cầu cho tất cả các tua-bin khí. Có một dãy rộng của những yêu
cầu điều chỉnh khác nhau mà chắc được xử lý bằng một động cơ đã định sẵn
và chính hệ thống điều khiển phụ thuộc một phần của quy trình tải hoặc nhu
cầu hoạt động. Thiết kế một hệ thống điều khiển động cơ với những nhu cầu
khác nhau được làm dễ dàng bằng sử dụng mô hình dựa vào mô phỏng. Những
mô hình động cơ trong giai đoạn vận hành thường được sử dụng cho những
chức năng như điều chỉnh và huấn luyện bộ điều khiển. Ngoài ra nó có thể
được dùng cho điều kiện kiểm tra và chuẩn đoán lỗi.
Hình 2.1 mô tả cấu trúc của một tua-bin khi điển hình. Một tua-bin khí cơ
bản sẽ gồm có những thành phần sau:
− Máy nén.
− Buồng đốt
− Tua-bin
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Hoïc 2005-2007
9
Trường ĐHBK Hà Nội
Luận Văn Tốt Nghiệp
H×nh 2.1: CÊu tróc bên trong của tua-bin khí
2.1.1 Máy nén
Maựy neựn ủửụùc caỏu tạo gồm ba phần chính:
− đường không khí vào qua bộ lọc,
− cánh dẫn hướng IGV (inlet guide vane),
− và tầng cánh động, tầng cánh tónh.
1. Đường dẫn không khí có dạng hình ống, bên trong có thiết bị lọc. Không
khí dẫn vào được chia thành hai phần: Phần chính (với lượng lớn) được đưa
tới máy nén để tạo thành khí áp suất cao đưa vào buồng đốt (cấp lượng oxy
cần thiết cho quá trình đốt nhiên liệu) và phần phụ (với lượng rất nhỏ) được
dẫn tới làm mát cánh tua-bin.
2. Cánh dẫn hướng IGV có nhiệm vụ dẫn và điều khiển lưu lượng không khí
vào máy nén để cung cấp oxy cho buồng đốt (hình 2.2). Việc điều khiển
lưu lượng không khí có nhiệm vụ tránh sự xung động của máy nén trong
quá trình khởi động và dừng máy.
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007
10
Trường ĐHBK Hà Nội
Luận Văn Tốt Nghiệp
3. Tầng cánh động được bố trí quanh một trục dọc bao gồm nhiều tầng. Số
lượng tầng cánh được thiết kế thích hợp với yêu cầu áp suất đầu ra của từng
tua-bin, vì vậy ứng với từng vị trí của tầng cánh, máy nén gió sẽ cho ra áp
suất phù hợp.
4. Tầng cánh động được gắn vào phần tónh (casing) của máy nén gió. Tầng
cánh tónh cũng có nhiều tầng khác nhau tương ứng với tầng cánh động và
được bố trí bao xung quanh tầng cánh động. Lượng gió ở tầng cánh động
được quay bên trong tầng cánh tónh cùng với vận tốc tua-bin sẽ tạo thành
dòngï đốùi lưu có áp suất lớn.
2.1.2 Bng ®èt
Buồng đốt là một trong những bộ phận quan trọng của tua-bin khí, được
cấu tạo bởi các thành phần chính như sau:
− các vòi phun nhiên liệu khí (gas), nhiên liệu dầu (fuel oil),
− các bộ phận đánh lửûa (Ignitor),
− các ống dẫn lửa (transition peace),
− và một số bộ phận phụ khác.
Buồng đốt sẽ đốt hỗn hợp khí gió được đưa vào từ máy nén với nhiên liệu
khí (gas hoặc dầu) được đưa vào qua các vòi phun nhiên liệu để tạo thành hơi
nóng áp suất cao cung cấp cho tua-bin. Với những tua-bin khí hiện đại ngày
nay nhiệt độ trong buồng đốt có thể lên tới 1600 0c.
P
P
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007
11
Trường ĐHBK Hà Nội
Luận Văn Tốt Nghiệp
2.1.3 Tua-bin
Tua-bin được cấu tạo gồm:
− các đường ống dẫn lửa vào,
− đường khí thoát,
− một khối các cánh tua-bin nhiều tầng được nối đồng trục với nhau,
− và các bộ phận chèn kín (sealing) để tăng hiệu suất tua-bin.
Hới nóng áp suất cao đi từ buồng đốt sẽ thổi trực tiếp vào các cánh tua-bin,
tạo ra công làm quay trục tua-bin. Moment quay (hay công suất tua-bin) được
tạo ra từ dòng hơi nóng từ buồng đốt, nên việc điều khiển công suất tua-bin
chính là điều khiển IGV của máy nén khí gió và điều khiển van nhiên liệu.
Cũng tương tự như máy nén gió cánh tua-bin bao gồm các tầng cán động và
tầng cánh tónh. Do cánh tua-bin làm việc trực tiếp với nhiệt độ cao nên những
tầng cánh này sẽ được làm mát bằng gió lấy ra từ máy nén gió. Thông thường
những tầng cánh cao áp củaa tua-bin được mạ bằng caực lụựp sửự chũu nhieọt cao
2.2 Nguyên lý hoạt động
Hỡnh 2.3 mô tả lại phương thứcù làm việc của tua-bin (hình 2.1) dạng sơ đồ
nguyên lý.
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007
12
Trửụứng ẹHBK Haứ Noọi
Luaọn Vaờn Toỏt Nghieọp
Hình 2.3: Mô tả nguyên lý làm việc của tua-bin khí
1. Máy nén.
2. Bộ gia nhiệt không khí
3. Buồng đốt
4. Tua-bin
5. Khói khí thoát ra từ tua-bin
6. Khói khí thoát ra môi trường
7. Máy phát
8. Quạt làm mát
9. Van điều khiển nhiên liệu vào buồng đốt
10. Cảm biến (sensor) công suất
11. Cảm biến nhiệt
12. Cảm biến tốc độ 13. Bộ điều khiển chung
14. Máy nÐn nhiªn liƯu
Theo hình 2.3, máy nén 1 lấy không khí thông qua một bộ lọc không khí
đầu vào (inlet air filter), sau khi làm mát máy phát điện 7 nhiệt độ không khí
được tăng từ
T0
đến
T1
và áp suất của nó giảm từ
P0
đến
P1 .
Lưu lượng không
khí đưa vào buồng đốt được điều khiển bởi cánh hướng khí gió vào IGV (inlet
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007
13
Trường ĐHBK Hà Nội
Luận Văn Tốt Nghiệp
guide vanes). Sau đó không khí được nén bởi máy nén gió tới nhiệt độ và áp
suất tương ứng tại điểm trạng thái 2 với nhiệt độ và áp suất của
T2
và P2 .
Để tăng hiệu ứng nhiệt và tiết kiệm nhiên liệu, trước khi đưa vào buồng
đốt không khí được nén sẽ đi vào bộ thu hồi nhiệt 2 (bộ gia nhiệt), ở đó nó
được làm nóng trước từ nhiệt độ
T2
đến
T3
bằng khí nóng thoát ra từ tua-bin
đưa đến. Do sức cản thủy lực của bộ thu hồi nhiệt, áp suất không khí giảm
đồng thời từ
P2
đến
P3 .
Sau khi qua bộ thu hồi nhiệt, không khí được đưa vào
buồng đốt 3. Ở đó không khí được đốt với nhiên liệu cao áp cấp từ máy nén
nhiên liệu 14 và được đốt nóng bởi hóa nhiệt sinh ra từ nhiên liệu trong suốt
quá trình cháy từ nhiệt độ
suất
P4
T3
đến nhiệt độ T4 . Khí nóng ở nhiệt độ
T4
và áp
được dẫn vào tua-bin. Ở đây khí nóng giãn nở từ điểm trạng thái 4 đến
điểm 5 và công của sự giãn nở này được sinh ra lái tua-bin quay kéo theo máy
phát 7 hoạt động và tạo ra công suất ở đầu ra máy phát. Khí khói thoát của
tua-bin với nhiêt độ
T5
và áp suất
P5
vào bộ gia nhiệt trở lại. Sau khi truyền
một phần nhiệt độ cho không khí đầu vào, nhiệt độ của khí khói thoát giảm
từ
T5
đến
T6 ,
cùng thời gian đó chính áp suất đó giảm từ P5 đến
P6
do bởi sức
cản thủy lực của bộ thu hồi. Sau đó khí khói thoát cuối cùng được thải vào
không khí. Nếu không có thiết bị thu hồi nhiệt được lắp đặt khí thoát từ tua-bin
được thải ra môi trường. Nhiên liệu vào buồng đốt thông qua van điều khiển 9.
Hình 2.4 mô tả chu trình nhiệt động học của tua-bin. Trên hình có hai điểm
rỗng, đó là
2/
và
5/ .
Chúng không phải là những điểm trạng thái của chu trình
nhiệt động học nhưng là hai điểm phụ. Điểm
2/
và 2 có cùng áp suất nhưng
khác nhiệt độ. Điểm 2 là trạng thái sau cùng của không khí sau khi trải qua
một qúa trình sự nén đa hướng thực với một áp suất tăng từ
khi đó điểm
2/
p1
đến
p2
trong
là trạng thái sau cùng của không khí trải qua một quá trình sự
nén thuộc đẳng entropi lý tưởng với cùng áp suất ban đầu và sau cùng. Tương
tự, điểm 5 là điểm trạng thái không khí sau khi trải qua một qúa trình sự giản
nở đa hướng thực trong khi điểm
5/
là ở đó sau khi trải qua một qúa trình sự
giản nở thuộc đẳng entropi lý tưởng với áp suất lúc đầu và sau cùng bằng
nhau.
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007
14
Trửụứng ẹHBK Haứ Noọi
Luaọn Vaờn Toỏt Nghieọp
Hình 2.4: Sơ đồ chu trình nhiệt động học của tua-bin
Ngửụứi thửùc hieọn: Nguyeón Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007
15
Trửụứng ẹHBK Haứ Noọi
3
Luaọn Vaờn Toỏt Nghieọp
Mô hình tua-bin khi và các phương pháp
điều khiển
3.1 Cấu trúc khối của tua-bin khÝ
Từ các kết quả phân tích của chương 2 ta sẽ đến được sơ đồ khối mô tả cấu
trúc tua-bin như ở hình 3.1. Trong sơ đồ đó mô hình của tua bin khí gồm có hai
phần chính: Phần điều khieồn vaứ ủoỏi tửụùng.
Phần điều khiển
Phần đối tượng
Hình 3.1: Sơ ®å cÊu tróc vµ ®iỊu khiĨn cđa tua-bin khÝ
3.1.1 VỊ phần đối tượng
Phan ủoỏi tửụùng gom coự hai thaứnh phan:
hệ thống động học nhiên liệu,
− và hệ thống động học của tua-bin khí.
Tín hiệu vào đối tượng gồm có hai thành phần chính: Lưu lượng không khí
vào máy nén thông qua điều khiển cách hướng không khí vào IGV (inlet guide
vanes) và lưu lượng nhiên liệu vào buồng đốt thông qua điều khiển van, và tín
hiệu đầu ra gồm: Tốc độ (n), nhiệt độ (T), gia tốc và công suất (Pe). Ở đây ta
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Hoïc 2005-2007
16
Trường ĐHBK Hà Nội
Luận Văn Tốt Nghiệp
không xét đến hai thành phần động học của máy nén và IGV (inlet guide
vanes).
1. Hệ thống động học nhiên liệu: Đây là thành phần quan trọng trong tua-bin
khí vì nó là thành phần cung cấp nhiên liệu cho buồng đốt và cũng là thành
phần góp phần quyết định công suất đầu ra của tua-bin. Trong hệ thống
động học nhiên liệu lại được chia ra hai thành phần: Thành phần động học
diễn tả đặc tính điều khiển van nhiên liệu và thành phần động học diễn tả
đặc tính máy nén nhiên liệu, mà làm sao đó để phum nhiên liệu vào buồng
đốt đạt hiệu qủa cao nhất. Những phần này sẽ được phân tích ở mục sau.
2. Hệ thống động học tua-bin khí: Trong hệ thống động học tua-bin gồm có
hai thành phần: Thành phần động học của buồng đốt là nơi diễn ra sự đốt
hỗp hợp nhiên liệu và không khí, và động học của tua-bin. Động học buồng
đốt diễn tả đặc tích nhiệt độ sau khi đã đốt hỗn hợp nhiên liệu vào với
không khí được nén từ máy nén để cung cấp năng lượng cho tua-bin làm
quay trục để tạo công suất đầu ra đến máy phát. Phần động học của tua-bin
diễn tả các đặc tính như nhiệt độ, tốc độ ...
3.1.2 Về phần điều khiển
ẹieu khieồn ủoọng cụ tua-bin khớ là một qui trình phức tạp với nhiều vòng
điều khiển khác nhau cho nhiều tham số đầu vào đầu ra. Vì thế khi nói đến
điều khiển một tua-bin khí bất kỳ người ta thường đề cập đến các thông số sau:
− tốc độ và điều khiển tốc độ,
− nhiệt độ và điều khiển nhiệt độ,
− gia tốc và điều khiển gia tốc.
1. Tốc độ : Tốc độ là một trong những thành phần quan trọng của tua-bin. Nó
U
U
quyết định tính ổn định tốc độ của tua-bin khí và phụ tải khi tua-bin khí vận
hành ở chế độ độc lập và khả năng đáp ứng tầng số khi kết nối điện lưới.
2. Vòng điều khiển tốc độ (điều tốc): Vòng điều khiển điều tốc là vòng điều
U
U
khiển chính trong suốt điều kiện hoạt động của hệ thống. Nó được thiết kế
để điều khiển hệ thống nhiên liệu khi có sự sai lệch tốc độ giữa tín hiệu
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007
17
Trường ĐHBK Hà Nội
Luận Văn Tốt Nghiệp
tham chiếu và tốc độ của tua-bin. Đầu vào của bộ điều khiển này là sự sai
lệch tốc độ giữa tín hiệu tham chiếu và tốc độ của tua-bin. Khi có sự sai
lệch thì tín hiệu đầu ra điều khiển điều tốc sẽ thấp hoặc cao hơn những bộ
điều khiển khác và tác động đến hệ thống nhiên liệu, như thế nhận điều
kiển đáp ứng của tua-bin. Đầu ra bộ điều khiển này được đưa vào bộ chọn
giá trị thấp.
3. Nhiệt độ : Nhiệt độ cũng là một trong những thông số quan trọng nó quyết
U
U
định ảnh hưởng công suất phát của tua-bin khí. Khi nhiệt đột tăng công suất
tăng, ngược lại nhiệt độ giảm công suất giảm. Tuy nhiên do khó khăn trong
cấu tạo chịu được nhiệt độ cao và độ ô nhiễm môi trường. Do đó nhiệt độ
buồng đốt thường được giới hạn nhất định. Với công nghệ hiện nay nhiệt độ
buồng đốt đạt được khoảng 1600 độ C.
4. Vòng điều khiển nhiệt độ : Vòng điều khiển nhiệt độ nhận tác động điều
U
U
khiển của tua-bin khí khi nhiệt độ được đo vượt qúa giá trị giới hạn. Nếu
yêu cầu của tải đến tua-bin tăng khi máy phát đang chạy dưới điều kiện
hoạt động bình thường, năng lượng đầu ra của tua-bin khí sẽ tăng do sự tác
động của bộ điều kiển điều tốc. Năng lượng đầu ra tăng làm nhiệt độ ra
tăng. Nếu nhiệt độ này cao hơn nhiệt độ cho phép, đầu ra điều khiển nhiệt
độ sẽ thấp hơn đầu ra bộ điều kiển điều tốc, như thế nhận điều khiển đáp
ứng của tua-bin. Đầu ra của bộ điều khiển này được đưa đến đầu vào của
bộ chọn giá trị thấp.
Nhiệt độ giới hạn phụ thuộc nhiệt độ môi trường. Trong trường hợp mà
nhiệt độ môi trường tăng, nhiệt độ ra có khuynh hướng tăng và tác động
vòng điều khiển nhiệt độ sẽ là được giảm số lượng của sự tiêu thụ nhiên
liệu của tua-bin khí. Mặt khác khi nhiệt độ môi trường giảm, nhiệt độ ra có
khuynh hướng cũng giảm và tác động vòng điều khiển, nhiệt độ sẽ tăng do
tăng nhiên liệu đầu vào và nó có thể xảy ra mà vòng điều khiển điều tốc
trở thành vòng điều khiển tác động.
5. Gia tốc : Gia tốc cũng là tham số quan trọng vì nó dùng để điều khiển quá
U
U
trình khởi động của tua bin khí nhằm đảm bảo sự tăng tốc của tua-bin nằm
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007
18
Trường ĐHBK Hà Nội
Luận Văn Tốt Nghiệp
trong giới hạn cho phép, để tránh xảy ra hiện tượng xung động máy nén
gió. Và hạn chế sự vược tốc của tua-bin khí khi có sự xa thải phụ tải đột
ngột.
− Khi gia tốc tăng sẽ phá hủy cấu tạo tua-bin khí.
− Khi tốc độ giảm tua-bin thường có hiện tượng xảy ra qúa trình xung
động máy nén gió. Bởi vì ở phạm vi tốc độ này máy nén gió thường
xảy ra cộng hưởng giữa tốc độ tua-bin khí và dao động riêng của cánh
nén gió.
6. Vòng điều khiển gia tốc : Vòng điều khiển gia tốc nhận điều khiển hệ thống
U
U
nhiên liệu trong trường hợp máy phát xảy ra hiện tượng gia tốc dương cao.
Khi gia tốc của máy phát vượt qúa gia tốc giới hạn, bộ điều khiển giảm tín
hiệu nhiên liệu dẫn đến nhiên liệu qua van giảm và công suất đầu của tuabin bị giảm. Điều kiện này có thể xảy ra trong suốt qúa trình khởi động và
sự thải tải. Điều khiển gia tốc nhằm bảo vệ sự qúa tốc của tua-bin khí. Nếu
không sự qúa tốc sẽ làm hư hỏng cấu tạo tua-bin.
Tín hiệu vào bộ điều khiển gia tốc là tốc độ của tua-bin khí. Tốc độ đi
đến thông qua một khối vi phân để đạt được gia tốc tua-bin. Sau đó gia tốc
được so sánh với gia tốc giới hạn và một tín hiệu sai lệch đạt được. Tín hiệu
sai lệch này là đầu vào đến một khối điều khiển mà đầu ra của chúng đến
bộ chọn giá trị thấp.
Đầu ra của ba vòng điều khiển điều tốc, nhiệt độ và gia tốc là đầu vào
bộ chọn giá trị thấp để mà vòng nhận điều khiển là vòng mà tín hiệu điều
khiển đi ra từ bộ chọn giá trị thấp có tín hiệu giá trị nhỏ nhất của một trong
ba vòng điều khiển điều tốc, nhiệt độ và gia tốc. Tín hiệu này sẽ yêu cầu
hệ thống nhiên liệu tăng hay giảm làm cho công suất đầu ra tăng hay giảm
và vì vậy cơ năng được sinh bởi tua-bin khí.
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007
19
Trửụứng ẹHBK Haứ Noọi
Luaọn Vaờn Toỏt Nghieọp
3.2 Nguyên tắc xây xựng mô hình tua-bin
3.2.1 Tầm quan trọng của việc xây dựng mô hình
Caực nhu cau cuỷa nhửừng moõ hỡnh ủoọng cơ thì bao gồm cả giai đoạn phát
triển và tuổi thọ hoạt động của tua-bin khí. Trong giai đoạn phát triển, những
mô hình cung cấp thấu hiểu bên trong vào sự tác động động cơ, vật lý và cho
phép tất cả những chi tiết hệ thống điều khiển được vạch rõ. Từ đây những mô
hình hoàn thiện cần được phát triển, mà sự kết hợp chặt chẽ tất cả những hiệu
qủa thứ yếu được bắt gặp bởi hệ thống động cơ để mà chúng ta phát triển một
mô hình đơn giản hóa động lực học của tua-bin khí cho những mục đích điều
khiển. Những điều này xác định đặc điểm các đặc tính đáp ứng của động cơ.
Sử dụng sự mô phỏng một tua bin khí có thể được dùng để dự đoán hiệu suất
của động cơ bằng việc sử dụng mô hình thuật toán đã được phát triển. Hiệu
suất của mô hình động cơ có thể bị thay đổi sử dụng dữ liệu thực được thu thập
từ một tua-bin khí, sau khi mà các tham số mô hình có thể được cập nhập.
Những tham số của mô hình động cơ có thể được phân tích để mà thay đổi giả
định về những đặc tính động cơ. Hiệu suất của động cơ tua bin khí được đánh
giá bằng sự nhận thấy chính đầu ra hoặc đáp ứng của biến trạng thái đến thay
đổi ở biến đầu vào hoặc biến nhiễu. Tốc độ đáp ứng của tua-bin khí đến bộ
điều chỉnh hoặc thay đổi tải là tới hạn. Tốc độ đáp ứng tốt được yêu cầu cho
những lý do tác động hiệu qủa và sự an toàn. Tại cùng thời điểm tốc độ vượt
qúa của trục, máy nén và dao động lớn nên được tránh. Đáp ứng động cơ
nhanh được yêu cầu cho tất cả các tua-bin khí. Có một dãy rộng của những yêu
cầu điều chỉnh khác nhau mà chắc được xử lý bằng một động cơ đã định sẵn
và chính hệ thống điều khiển phụ thuộc một phần của quy trình tải hoặc nhu
cầu hoạt động. Thiết kế một hệ thống điều khiển động cơ với những nhu cầu
khác nhau được làm dễ dàng bằng sử dụng mô hình dựa vào mô phỏng.
Những mô hình động cơ trong giai đoạn vận hành thường được sử dụng cho
những chức năng như điều chỉnh và huấn luyện bộ điều khiển. Ngoài ra nó có
thể được dùng cho điều kiện kiểm tra và chuẩn đoán lỗi.
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Hoïc 2005-2007
20
Trửụứng ẹHBK Haứ Noọi
Luaọn Vaờn Toỏt Nghieọp
3.2.2 Động học cơ b¶n cđa tua-bin khÝ
Động cơ tua-bin khí hoạt động dưới điều kiện ổn định và nhất thời. Tại mỗi
điều kiện ổn định ở đó tồn tại điều kiện cân bằng cho tốc độ quay động cơ,
nhiệt độ, áp suất và mô men. Thay đổi những biến đầu vào (nhiên liêïu, vị trí
cánh hướng không khí vào) sẽ xảy ra những kết qủa trong nhất thời và sau đó
thành lập những điều kiện ổn định mới. Tới một mức độ nhất định mà sự biến
thiên sẽ thay đổi một biến đầu ra (tốc độ quay) được cho bởi hệ số khuếch đại
mà được đánh giá như độ dốc của tốc độ chống lại mô men động cơ hoặc đặc
tuyến lưu lượng nhiên liệu, và được diễn tả như một đạo hàm riêng
∂M ∂M
;
∂n ∂wf
được đánh giá với tất cả những biến đập lập khác ngoài tốc độ và lưu lượng
nhiên liệu được giữ không đổi. Điều này có thể được xác định sử dụng trạng
thái ổn định hoặc đặc tính nhất thời. Từ đây điều kiện hệ số khuếch đại tồn tại
cho mỗi sự kết hợp biến đầu vào-đầu ra khi những điều kiện này sẽ xác định
những biến đổi về lượng trong một sự phụ thuộc hoặc biến đầu ra được đưa ra
bằng sự biến thiên của một sự độc lập hoặc biến đầu vào. Mặc dù một vài của
những điều kiện này những giá trị có lẽ không đáng kể nếu sự tương tác là
không quan trọng. Sự phức tạp của sự tương tác trong những động cơ tua bin
khớ laứm chuựng phi tuyeỏn.
3.2.3 Các bước xây dựng mô h×nh
Xây dựng mô hình thuật toán của động cơ tua-bin khí có thể được làm bằng
những kỹ thuật mô hình tuyến tính toán học, bằng những mô hình nhiễu tuyến
tính hóa nhiệt động học hoặc bằng những kỹ thuật mô hình phi tuyến nào đó…
Ngoài ra, xây dựng mô hình có thể được phân loại chung vào thủ tục xây dựng
mô hình bằng lý thuyết và thủ tục xây dựng mô hình thực nghiệm. Xây dựng
mô hình theo phương pháp những nguyên tắc lý thuyết bao gồm sự vận dụng
kiến thức liên quan đến vật lý học của qúa trình để đưa đến một mô hình mà
sẽ bao hàm tổng quát vô số của phương trình vi phân, đạo hàm riêng và các
quan hệ đại số giữa những đại lượng liên quan đến vật lý học. Xây dựng mô
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007
21
Trường ĐHBK Hà Nội
Luận Văn Tốt Nghiệp
hình thực nghiệm hoặc hệ thống nhận dạng bao gồm phép đo của một vài biến
quá trình để nhận dạng một mô hình mà làm cho phù hợp dữ liệu được đo.
1. Xây dựng mô hình theo phương pháp lý thuyết : Điều này vận dụng kiến
U
U
thức liên quan đến bản chất vật lý của quá trình, những nguyên lý đầu tiên
để đưa đến một mô hình mà sẽ bao hàm tổng quát vô số của phương trình vi
phân, đạo hàm riêng và quan hệ đại số giữa những đại lượng liên quan đến
vật lý học. Mô hình được xây dựng được dựa vào kiến thức lạm dụng của
vật lý mà xử lý những quá trình vật lý, những định luật bảo toàn năng lượng
và khối lượng và những định luật chuyển động của Newtons. Đến đây có
một kiến thức tốt của các nguyên tắc cơ bản mà xử lý sự tồn tại của tác
động qúa trình. Những mô hình chính xác có thể được tìm thấy và có thể
giải thích được những sự tồn tại của những tham số mô hình, vì chúng được
quan hệ một cách trực tiếp đến vật lý học của hệ thống. Ngay cả trong làm
mô hình vật lý nó thường chủ yếu thu được những giá trị số của đại lượng
vật lý mà phải được thay thế trong quan hệ mô hình. Chính xác những giá
trị của khối lượng, quán tính, tính trơ, thuộc tính vật chất, những thuộc tính
của phản ứng hóa học, hằng số chất khí hoặc hằng số khác cần được biết.
Nó thì cần thiết để biết sự quan hệ trực tiếp giữa những biến đầu vào và
biến đầu ra. Điều này có thể được làm bằng việc sử dụng sự tính toán bằng
số các giá trị được biết và xác định những đại lượng không biết cũng như
bằng việc dùng sự mô phỏng để xác định việc đó. Những biến hệ thống giới
thực thì lệ thuộc đến tất cả những loại của nhiễu mà ảnh hưởng quan hệ đầu
vào, đầu ra trong một hệ thống động học. Để mà đưa đến những mô hình
chính xác nó thì quan trọng để xác định số lượng nhiễu mà có ảnh hưởng
đến hệ thống. Nói chung, nó có thể được nói rằng đối với xây dựng mô hình
chính xác của các hệ thống, sự thu thập và phân tích của dữ liệu sống thực
là chủ yếu.
2. Xây dựng mô hình bằng thực nghiệm : Phép đo của vài biến quá trình được
U
U
thu và một mô hình được xây dựng bằng nhận dạng, một mô hình mà làm
cho phù hợp dữ liệu được đo gần như có thể nhưng cần thời gian nhiều.
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Hoïc 2005-2007
22
Trường ĐHBK Hà Nội
Luận Văn Tốt Nghiệp
Những kỹ thuật nhận dạng hệ thống hiện đại có thể được dùng như một
phương pháp mạnh của sự tiên đoán
vài kía cạnh thực tế vật lý vào trong sự mô tả toán học hoaởc moõ hỡnh.
3.2.4 Nguyên tắc xây dựng mô hình cho tua-bin khÝ
Xuất phát những mô hình động cơ trước kia đã suy ra rằng nhiên liệu vào
động lực học tốc độ trục của một động cơ trục đơn có thể được làm mô hình
như một hệ thống tuyến tính bậc nhất. Hằng số thời gian đã được diễn đạt dưới
dạng chính nhiệt động học và những tham số cơ học. Nó đã được nhận thấy
rằng với sự tăng tốc độ hằng số thời gian có khuynh hướng trở thành nhỏ hơn.
Kể từ đây nó được suy ra rằng một họ của những mô hình tuyến tính đã được
yêu cầu để biểu diễn đường đặc tính động cơ trong dãy hoạt động toàn diện
chính nó. Đối với những động cơ trục kép nó được nhận thấy rằng mỗi trục có
thể được làm mô hình bởi một hàm truyền bậc nhất. Hằng số thời gian mô hình
đã được diễn tả dưới hình thức của đạo hàm riêng của mô men HP, và LP đối
với kía cạnh cấp nhiên liệu và tốc độ trục. Những cấu trúc này đã lợi dụng
những điểm cực chung cho cả hai trục. Đánh giá đạo hàm riêng một cách thực
nghiệm, nó đã được nhận thấy rằng đạo hàm riêng của mô men trục HP đối
với tốc độ trục LP thì rất nhỏ. Sự biểu diễn hàm truyền dưới hình thức phân
thức riêng làm rõ sự đóng góp liên quan của mỗi điểm cực đến đáp ứng trục.
Vì thế nó đã được kết luận rằng tất cả những trục sẽ được xây dựng mô hình
như bậc nhất với hầu hết hằng số thời gian đồng nhất.
Động cơ tua-bin khí vốn là một hệ thống phi tuyến. Điều này được nhận
thấy bởi sự thay đổi của những động lực học động cơ với điểm làm việc và
cũng là sự biến thiên của động lực học do bởi hiệu ứng nhiệt. Gần đây những
công việc thiết kết đã vận dụng những kỹ thuật mới của làm mô hình bằng
nhận dạng để tính toán cho tác động phi tuyến của động cơ.
Một sự nghiên cứu của làm mô hình tua-bin khí có thể được làm bằng việc
viết những phương trình vi phân mà được dẫn xuất từ nguyên tắc bão toàn
năng lượng. Những phương trình động học đến từ cân bằng năng lượng đã xây
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Hoïc 2005-2007
23
Trường ĐHBK Hà Nội
Luận Văn Tốt Nghiệp
dựng cho toàn khối lượng,
ma
và năng lượng bên trong,
u.
Các tham số đã
trình bày ở phụ lục. Động cơ tua-bin khí được xây dựng mô hình bằng phương
pháp khối lượng trung gian, ở mỗi khía cạnh nào đó của những thành phần
được xem xét như một khối lượng cách ly với đầu vào và đầu ra. Bộ của sai
lệch cân bằng bao gồm cân bằng khối lượng động học, dạng cân bằng áp suất
của phương trình vi phân đã dẫn xuất từ cân bằng năng lượng bên trong và cân
bằng toàn bộ năng lượng cơ học đã biểu diễn cho tốc độ trục. Bộ của những
biến đầu ra được xây dựng bởi áp suất, nhiệt độ, tốc độ của trục. Sự phát triển
của những phương trình mô hình đã thực hiện theo những bước.
1. Những điều kiện ổn định động cơ : Mô hình hoạt động của động cơ muốn
U
U
nói dưới những điều kiện mà động cơ hoạt động mà được biểu diễn bởi sự
kết hợp một trong nhiều tham số như: công xuất ra, mô men (M), tốc độ
quay (n), lưu lượng nguyên liệu ( wf ) , tải
suất
( p)
(Ttai ) ,
) , áp
lưu lượng khối khí ( m
và nhiệt độ (T ) trong những thành phần phụ được biến thiên. Mô
hình hoạt động được cho là điều kiện ổn định nếu các giá trị số của các
tham số trên bị chặn.
Điều kiện cân bằng tónh được trình bày bởi theo những phương trình: Đối
với tốc độ (n) không thay đổi theo thời gian dưới những điều kiện trạng thái
ổn định theo điều kiện được giám sát:
MTo − ( MCo + Mtaio + M K / Khi+ Masato ) =
0
(3.1)
Mquamuco là mô men quay qúa mức và
Trong đó MTo − ( MCo + M K / Khi+ Masato ) =
Mtaio
là mô men chống mô men quay tại những điểm trạng thái ổn định.
Sự không đổi của những điều kiện nhiệt trong thể tích được đảm bảo khi:
(3.2)
Q10 − Q20 =
0
Trong đó
Q10
là số lượng của hơi nóng được cung cấp đến cho mỗi khối
lượng đơn vị thời gian và
Q20
là số lượng hơi nóng được lấy ra.
Ngoài ra áp suất trong thể tích thì lệ thuộc đến điều kiện ổn định trạng thái.
dm10 dm20
−
=
0
dt
dt
Người thực hiện: Nguyễn Hữu Nhàn – Cao Học 2005-2007
(3.3)
24
