Báo cáo hệ thống điều khiển và giám sát lò hơi trong nhà máy nhiệt điện

6 THIẾT LẬP CÁC BIẾN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT NỒI HƠI .... Trong môn học Hệ thống điều khiển và giám sát, em đã được học các kiến thức về một hệ thống điều khiển giám sát trong c

VIỆN ĐIỆN

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP

*****

BÁO CÁO

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT

LÒ HƠI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN

Giáo viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Tuấn Ninh Sinh viên: Võ Tá Hoàng

SHSV: 20093469

Lớp: KSCLC - K54 - THCN

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

Chương 1 4

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ NỒI HƠI 4

1.1 Vị trí nồi hơi trong nhà máy nhiệt điện 4

1.2 Cấu tạo nồi hơi 5

Chương 2 6

THIẾT LẬP CÁC BIẾN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT NỒI HƠI 6

2.1 Thuật toán điều khiển nồi hơi 6

2.1.1 Tự động cấp nước nồi hơi 6

2.1.2 Tự động đốt lò 6

2.1.3 Tự động duy trì áp suất hơi 7

2.1.4 Tự động kiểm tra, báo động, bảo vệ nồi hơi 7

2.1.5 Thiết lập hệ thống các biến lệnh 8

2.2 Tính toán lựa chọn thiết kế hệ thống giám sát, điều khiển nồi hơi 8

2.2.1 DI (Digital Input) ON/OFF 8

2.2.2 DO (Digital Output) ON/OFF 8

2.2.3 AI (Analog Input) 8

2.3 Thiết lập hệ thống các biến quá trình 9

2.4 Quy trình hoạt động của hệ thống nồi hơi 9

 Đặc điểm của nồi hơi 9

 Quy trình hoạt động và ý tưởng thiết kế 9

2.5 Xây dựng luật hợp thành để thiết kế mạch logic 10

 Với bộ điều khiển mực nước: 10

 Với bộ điều khiển áp suất: 10

Chương 3 11

THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT NỒI HƠI BẰNG PHẦN MỀM FREELANCE 11

3.1 Lập trình FBD 11

3.1.1 Các khối quan trọng trong chương trình 11

3.1.2 Lắp ghép các khối để có được chương trình điều khiển 13

3.2 Thiết kế giao diện Digivis 16

KẾT LUẬN 17

Tài liệu tham khảo 17

MỞ ĐẦU

Ngày nay tự động hóa điều khiển rất được chú trọng trong công nghiệp, cải thiện hiệu quả cho các quá trình sản xuất Các hệ thống điều khiển giám sát giúp cho việc quản lý, giám sát và vận hành một hệ thống an toàn, đảm bảo chất lượng đầu ra cũng như giảm chi phí Trong môn học Hệ thống điều khiển và giám sát,

em đã được học các kiến thức về một hệ thống điều khiển giám sát trong công nghiệp và các trạm điện, biết cách thiết kế các hệ thống như vậy bằng phần mềm công nghiệp Freelance của hãng ABB Và để hiểu rõ hơn về môn học, em đã chọn

đề tài “ Thiết kế mô phỏng điều khiển và giám sát nồi hơi trong nhà máy nhiệt điện bằng phần mềm Freelance của hãng ABB” Nồi hơi là một thiết bị rất quan trọng trong hệ thống nhà máy nhiệt điện nên việc giám sát và điều khiển nó là rất cần thiết và yêu cầu độ chính xác, an toàn cao

Em xin cảm ơn thầy thầy Nguyễn Tuấn Ninh đã giúp đỡ về lý thuyết hệ thống điều khiển giám sát cũng như cách sử dụng phần mềm Freelance để em có thể thực hiện đề tài này Dù đã cố gắng hoàn thành đề tài một cách tối ưu nhất, nhưng do hạn chế về thời gian thực hiện và trình độ bản thân nên bài tập lớn này không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận được góp ý của thầy để có thể hoàn thiện hơn bài tập lớn của mình

Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ NỒI HƠI

1.1 Vị trí nồi hơi trong nhà máy nhiệt điện

Nồi hơi là một thiết bị giúp đưa nhiệt của quá trình đốt cháy cho nước đến khi nước được đun nóng hoặc thành hơi Nhiên liệu dùng để đốt trong nồi hơi là dầu Nước nóng hoặc hơi nước dưới tác động của áp suất sẽ truyền nhiệt sang một quy trình khác Khi nước được chuyển thành hơi, thể tích sẽ tăng lên khoảng 1600 lần, tạo ra một áp lực rất mạnh Vì vậy nồi hơi cần phải được giám sát và điều khiển một cách cẩn thận Hơi nước trong nồi hơi với áp suất cao được sử dụng để sinh công làm quay tua bin phát điện trong các nhà máy nhiệt điện

Nồi hơi là thiết bị được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp và cuộc sống, ngoài sử dụng để làm quay tua bin trong nhà máy nhiệt điện, nồi hơi còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như:

 Trong các xưởng giặt là của nhà máy may

 Hệ thống nồi nấu rượu

 Hệ thống bếp nấu ăn công nghiệp

 Mạng lưới sưởi ấm trong các tòa nhà lớn, các khách sạn, nhà hàng

 Hệ thống xông hơi, matxa

Hình 1.1: Sơ đồ về một nhà máy nhiệt điện

1.2 Cấu tạo nồi hơi

Hệ thống nồi hơi bao gồm:

 Hệ thống nước cấp: cấp nước cho nồi hơi và tự động điều chỉnh nhằm đáp ứng nhu cầu nồi hơi

 Hệ thống hơi: thu gom và kiểm soát hơi do lò hơi sinh ra Một hệ thống dẫn hơi tới vị trí cần sử dụng

 Hệ thống nhiên liệu: gồm các thiết bị tạo ra nhiệt đốt nòng lò hơi

Ta nghiên cứu một loại nồi hơi cụ thể là nồi hơi ống nước Đối với lò hơi ống nước, nước được cấp qua các ống đi vào buồng đốt, được đun nóng bằng hơi dầu cháy và chuyển thành hơi nóng áp suất cao bay lên

Các bộ phận chính trong sơ đồ dưới đây:

 Bộ phận buồng đốt: có nhiệm vụ phun dầu thành sương vào buồng đốt để tăng quá trình cháy Em thiết kế với một vòi phun có trang bị biến áp đánh lửa

 Bộ phận trao đổi nhiệt: là nơi trao đổi nhiệt để biến nước thành hơi bão hòa

Do đó ống được chế tạo để có diện tích tiếp xúc lớn nhất khi đó khả năng hấp thụ nhiệt là tốt nhất

 Bộ phận quạt thông gió: để cấp không khí đốt cháy và làm quá trình đốt tốt hơn

 Bộ phận cấp nước: sử dụng máy bơm để cung cấp đầy đủ nước cho nồi hơi trành cho mực nước trong nồi giảm quá thấp gây cháy nồi Sử dụng 2 bơm trong

đó 1 bơm để dự phòng

 Hệ thống điều khiển đốt nồi: Điều khiển quá trình đốt bằng PLC

Hình 1.2: Nồi hơi ống nước

Chương 2 THIẾT LẬP CÁC BIẾN CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN GIÁM SÁT NỒI HƠI

2.1 Thuật toán điều khiển nồi hơi

Hệ thống điều khiển nồi hơi thực hiện các chức năng điều khiển sau:

o Chức năng tự động cấp nước cho nồi hơi

o Chức năng tự động đốt lò

o Chức năng tự động điều chỉnh áp suất nồi hơi

o Chức năng tự động kiểm tra báo động và bảo vệ nồi hơi

2.1.1 Tự động cấp nước nồi hơi

Nhờ chức năng tự động cấp nước mà mực nước trong nồi hơi luôn giữ ở một mức độ nhất định, không xảy ra các sự cố như cháy nồi do mức nước trong nồi hơi quá thấp hoặc bị tràn ra ngoài do mức nước trong nồi hơi quá cao Để thực hiện chức năng này cần dùng 2 bơm cấp nước (một bơm làm việc và một bơm dự trữ) Mức nước trong nồi luôn được giữ ở mức hmin < h < hmax

2.1.2 Tự động đốt lò

 Giai đoạn chuẩn bị đốt

Khi các điều kiện sau đảm bảo thì mới tiến hành đốt:

 Mức nước trong nồi hơi phải đảm bảo đủ do mạch tự động hay cấp nước bằng tay thực hiên

 Quạt gió phải đảm bảo không có sự cố

 Toàn bộ các phần tử trong hệ thống phải đảm bảo không có sự cố

 Giai đoạn đốt

Giai đoạn này được thực hiện theo một chương trình định trước và được quyết định bởi thiết bị chương trình Các bước của quá trình đốt lò:

 Phát lệnh đốt : Bằng cách bật công tắc hoặc ấn nút điều khiển tự động để cấp nguồn cho mạch phía sau, thiết bị chương trình hoạt động

 Quạt thông gió khoảng 30 giây

 Mở cửa hợp lý

 Biến áp đánh lửa hoạt động, dầu mồi hoặc dầu đốt đã được hâm nóng đến nhiệt độ cần thiết phun vào lò Từ đây bắt đầu kiểm soát hoạt động của nổi hơi

 Tại đây xảy ra quá trình cháy hoặc không cháy

 Nếu cháy thành công: kết quả quá trình đốt lò là ngọn lửa xuất hiện, qua phần tử cảm biến nhận lửa và qua rơ le quang điện sẽ phản hồi về để ngắt điện áp đánh lửa Báo cháy thành công bằng đèn trên bảng điều khiển

 Nếu không thành công: Tự động dừng đốt lò Tắt phun dầu để cắt dầu vào buồng đốt, tắt biến áp đánh lửa

2.1.3 Tự động duy trì áp suất hơi

Trong quá trình vận hành nồi hơi, áp suất hơi là một thông số rất quan trọng cần được điều khiển, yêu cầu đặt ra là phải duy trì áp suất hơi nằm trong trạng thái cho phép

Pmin < P < Pmax

Pmin = 8 bar

Pmax = 10 bar Quá trình điều khiển áp suất nồi hơi được thực hiện bằng cách khi áp suất nồi hơi trong nồi đạt giá trị xác định thì dừng đốt, còn khi áp suất nồi giảm đến một giá trị đặt thì nồi hơi tự động hoạt động lại

2.1.4 Tự động kiểm tra, báo động, bảo vệ nồi hơi

 Các thông số báo động, bảo vệ nồi hơi:

 Mức nước trong nồi hơi giảm quá thấp so với hmin, dẫn tới báo động và dừng đốt lò

 Mức nước trong nồi quá cao so với hmax, báo động và khóa van cấp nước

 Áp suất nồi hơi quá cao cũng dẫn tới báo động và dừng đốt lò

 Quạt gió có sự cố dẫn tới báo động và dừng đốt

 Mất lửa dẫn tới báo động và dừng đốt lò

 Lò đốt không thành công dẫn tới báo động và dừng đốt lò

 Các thông số chỉ báo động mà không bảo vệ:

 Mức nước giảm hơi thấp

2.1.5 Thiết lập hệ thống các biến lệnh

Ta thiết lập hệ thống nồi hơi đốt dầu với các biến lệnh dùng trong quá trình điều khiển:

 Sử dụng biến lệnh đóng mở van để điểu khiển mực nước trong nồi

 Sử dụng biến lệnh điện áp đặt lên điện trở vào trong lò để điều khiển nhiệt

độ lò

2.2 Tính toán lựa chọn thiết kế hệ thống giám sát, điều khiển nồi hơi

 Các thông số trong hệ thống nồi hơi

2.2.1 DI (Digital Input) ON/OFF

o Tín hiệu có lửa hay không có lửa nhằm kiểm tra xem đánh lửa thành công không

2.2.2 DO (Digital Output) ON/OFF

o Đèn cảnh báo Alarm kèm thông báo ra màn hình Có 3 mức cảnh báo là: Hệ thống ổn định, hệ thống quá tải và hệ thống nguy hiểm

o Thông báo trạng thái chế độ hoạt động

o Thông báo trạng thái van trong chế độ Manual

o Thông báo trạng thái lửa trong chế độ Manual

2.2.3 AI (Analog Input)

o Mức nước trong bình

o Áp suất hơi nước trong bình

Ở đây em lựa chọn modul 700F

Bảng tổng kết

Số lượng dự phòng

2.3 Thiết lập hệ thống các biến quá trình

o Áp suất trong lò

o Mực nước trong lò

Với hệ thống nồi hơi như mô tả, ta thiết lập bộ điều khiển mực nước và áp suất trong nồi hơi khi nồi đang hoạt động ở chế độ bình thường, đảm bảo mực nước và áp suất trong nồi hơi luôn ổn định trong giới hạn cho phép ( mặc định nồi hơi đã hoàn thành quá trình khởi động và đang hoạt động bình thương):

 1 m <= h < = 2,5 m

 8 bar <= P <= 10 bar

Với giả thiết trên ta thiết kế bộ điểu khiển với 2 tín hiệu vào là mực nước và

áp suất trong nồi, tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển là góc mở van và điện áp đặt lên điện trở sấy

2.4 Quy trình hoạt động của hệ thống nồi hơi

 Đặc điểm của nồi hơi

Nồi hơi có thể tích 25 m3, chiều cao 3 m

 Quy trình hoạt động và ý tưởng thiết kế

Trong đề tài này chỉ nghiên cứu về giai đoạn điều khiển mức nước bơm vào bình và áp suất hơi trong bình, bỏ qua các giai đoạn đốt cháy dầu, quạt gió,… Coi như các giai đoạn đó được thực hiện thành công Trong bài em có mô phỏng để kiểm tra xem có lửa trong lò hay không, để đảm bảo an toàn trong lúc vận hành, nếu không có lửa thì phải tắt ngay cung cấp dầu tránh phun dầu vào mà không cháy sẽ rất nguy hiểm

Trên bảng điều khiển có các nút để bắt đầu hoạt động lò và nút reset hệ thống

Có một bình chứa nước riêng để cung cấp cho lò hơi Có 2 chế độ hoạt động: Auto và Manual

 Chế độ Auto:

Khi nước được bơm với lưu lượng 5 cm/s vào bình đến khi đạt mức 100 cm thì bắt đầu đốt lò, trong quá trình đốt, vẫn tiếp tục bơm nước vào cho đến khi đạt mức

250 cm thì hệ thống tự động khóa van cấp nước Khi đó mực nước giảm do bay hơi đến khi mực nước nhỏ hơn 100 cm thì tiếp tục mở van cấp nước để bơm lại vào bình như trên Quá trình này tuần hoàn như vậy nếu hoạt động bình thường Nhưng nếu vì lý do nào đó mà mực nước giảm quá 100 cm vẫn không được bơm

nước vào thì ngừng phun dầu, lửa trong lò sẽ được tắt Hệ thống sẽ ngừng hoạt động

 Chế độ Manual:

Ấn nút Auto/Manual để chuyển sang chế độ Manual Trong chế độ này tất cả hoạt động điều khiển cấp nước và cấp lửa phải thực hiện hoàn toàn bằng tay thông qua nút Valve và nút Fire trên màn hình điều khiển Vì lúc này hệ thống do con người điều khiển nên dễ xảy ra quá trình không mong muốn dẫn đến các rủi ro cho

hệ thống Vì thế ta cần đặt các chế độ cảnh báo cho người điều khiển biết mà xử

lý

Các cảnh báo:

- Mực nước vượt 280 cm hoặc áp suất lớn hơn 12 bar thì đèn báo màu đỏ và thông báo “Hệ thống quá tải”

- Mực nước từ 250 cm đến 280 cm hoặc áp suất từ 10 bar đến 12 bar và không thuộc trường hợp trên thì đèn báo màu vàng và thông báo “Hệ thống quá tải”

- Mực nước ở trong khoảng 100 cm đến 250 cm và áp suất trong mức cho phép 8 bar < P < 10 bar thì đèn báo màu xanh kèm thông báo “Hệ thống ổn định” Khi áp suất quá cao thì hệ thống cũng tự động ngừng phun dầu và tắt lửa

2.5 Xây dựng luật hợp thành để thiết kế mạch logic

 Với bộ điều khiển mực nước:

1) Nếu h > hmax thì van đóng

2) Nếu h < hmin thì van mở

3) Nếu hmin < h < hmax mà van đang đóng thì tiếp tục đóng cho đến khi h< hmin, đang mở thì tiếp tục mở cho đến khi h > hmax

 Với bộ điều khiển áp suất:

1) Nếu P > Pmax thì điện áp là 0, tắt lửa đốt lò

2) Nếu P < Pmax và mực nước h> hmin thì điện áp là cao, đánh lửa đốt lò

3) Nếu P < Pmax và mực nước h < hmin thì điện áp là 0, tắt lửa đốt lò

Chương 3 THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG GIÁM

SÁT NỒI HƠI BẰNG PHẦN MỀM

FREELANCE

3.1 Lập trình FBD

3.1.1 Các khối quan trọng trong chương trình

 Khối Constant module CSTRE (Block → Constant → REAL constant ):

tạo một số thực không đổi, ở đây có tác dụng làm vận tốc nước chảy vào bình từ van V1 hoặc nước giảm đi do đốt nóng Còn có tác dụng làm tăng giảm áp suất trong lò hơi

Hình 3.2: Khối CSTRE

 Khối bộ đếm Analog CT_ANA (Block → Analog → Counter with

analog input): Cộng dồn các giá trị đầu vào IN và đưa ra tại CTC Nhờ đó dùng

để đo mức nước trong bình hoặc mức áp suất hiện thời

Hình 3.3: Khối Analog CT_ANA

 Phần tử MUX (Block → Standard → Switcher → MUX ): để chọn 1

trong nhiều luồng dữ liệu Ở đây dùng để chọn tăng dòng chảy hoặc giảm mức nước và để chọn tăng giảm áp suất

Hình 3.4: Phần tử MUX

 Khối Flip Flop (Block → Standard → Switcher →Flip flop ): để đảo giá

trị chọn luồng trong phần tử MUX khi mực nước tăng quá cao h > hmax hoặc mực nước giảm quá thấp h < hmin

Hình 3.5: Khối Flip flop

Hình 3.6: Bảng trạng thái của Flip flop

 Các khối logic cơ bản: And, Or, Not…

 Các khối tính toán, so sánh: khối trừ, so sánh…

Hình 3.7: Các khối cơ bản

3.1.2 Lắp ghép các khối để có được chương trình điều khiển

Từ những phân tích ở chương 2 và hiểu biết về các khối đã nêu trên, em đã lập trình cho đề tài của mình như sau:

Hình 3.8.a: Sơ đồ lập trình FBD cho mức nước

Hình 3.8.b: Sơ đồ lập trình FBD cho mức áp suất

Hình 3.8.d: Sơ đồ lập trình FBD tạo ngọn lửa tự động

Hình 3.8.e: Sơ đồ lập trình FBD tạo tín hiệu cảnh báo

Hình 3.8.f: Sơ đồ lập trình FBD tạo khóa vòi nước tự động

Hình 3.8.g: Sơ đồ lập trình FBD tạo nút điều chỉnh chế độ Auto/Manual

Hình 3.8.h: Sơ đồ lập trình FBD tạo lửa lò nung

3.2 Thiết kế giao diện Digivis

Để quan sát và điều khiển hệ thống lò hơi, ta thiết kế một giao diện đồ họa trực

quan như sau:

KẾT LUẬN

Từ các kiến thức trong quá trình học môn Hệ thống giám sát và điều khiển

và sự hướng dẫn thiết kế bằng phần mềm Freelance của các thầy trong bộ môn Kỹ thuật đo và tin học công nghiệp, em đã tìm hiểu thêm để hoàn thành bài tập lớn này Qua đây, em hiểu hơn về quy trình hoạt động của lò hơi trong nhà máy nhiệt điện nói riêng và quy trình công nghiệp nói chung Phần nào biết cách thiết kế một

hệ thống điều khiển giám sát theo cách tối ưu nhất và biết sử dụng phần mềm Freelance của hàng ABB

Em xin chân thành cảm ơn!

Tài liệu tham khảo

[1] ThS Nguyễn Tuấn Ninh, Bài giảng Hệ thống điều khiển, giám sát

[2] Tài liệu hướng dẫn lập trình bằng phần mềm Freelance của hãng ABB

[3] Prof Dr H Kirrmann, SCADA Operator Interface interface homme

machine

[4] Một số tài liệu khác trên internet