The program provides the possibility of using models with distributed or lumped parameters with respect to various real surfaces TPP and NPP - convective phase heat transfer, convectio[r]
Trang 1PHẦN MỀM TÍNH TOÁN ĐẶC TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT
(GAP) ThS Nguyễn Tiến Sáng 1 , GS TSKH Pikina G A 2 , Nguyễn Tiến Khang 3
1 Tổng công ty Phát điện 1, 2 Đại học Năng lượng Mát-xcơ-va, 3 Viện Đo lường Việt Nam
Tóm tắt: Phần mềm được viết trên nền ứng dụng C# mô tả về các đặc tính tĩnh và
động của các bề mặt truyền nhiệt trong nhà máy Nhiệt điện Phần mềm cung cấp khả năng sử dụng các mô hình toán học với tham số phân phối hoặc tập trung để mô phỏng các hình thức truyền nhiệt trong chu trình nhiệt của nhà máy — Tán xạ nhiệt, đối lưu nhiệt với môi trường bên ngoài nằm trên đường bão hòa, bức xạ nhiệt Phần mềm đã được sử dụng rất hiệu quả phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu của học viên cao học tại bộ môn Tự động hóa các quá trình nhiệt, Đại học Năng lượng Mát-xcơ-va Phần mềm giúp các nhà nghiên cứu lập mô hình mô phỏng những đối tượng cần điểu khiển trong chu trình nhiệt, từ đó xây dựng bộ tham số điều khiển tối
ưu, giúp tối ưu hóa tổ máy, đảm bảo nguồn điện ổn định
Từ khoá: Phần mềm, C#, model, bề mặt truyền nhiệt, mô hình toán học, phân phối, tập
trung, đặc tính tĩnh, đặc tính động, tán xạ, đối lưu, bức xạ
Abstract: The description of Visual C#-program of the calculation of static and dynamic
characteristics of heat transfer surfaces The program provides the possibility of using models with distributed or lumped parameters with respect to various real surfaces TPP and NPP - convective phase heat transfer, convection with external coolant on the saturation line and radiation The program is focused on the performance of laboratory and course work of the educational process, but can be used by engineers and researchers
Keywords: Visual C# program, surface heat transfer, mathematical models, distributed
and lumped parameters, static and dynamic characteristics, scattering, convective, radiation
I GIỚI THIỆU
Các quá trình nhiệt trong công nghiệp có thể được mô phỏng và liên kết với nhau bởi rất nhiều mô hình toán học với độ phức tạp và độ chính xác riêng của chúng Độ chính xác của mô hình toán học (model) phụ thuộc rất nhiều vào các giả định được chấp nhận Sự hoàn chỉnh của mỗi model là sự phản ánh các quá trình vật lý thực tế diễn ra trong các thiết bị nhiệt, các model có thể phân tích các đặc tính: tĩnh và động; tuyến tính
và phi tuyến tính; tham số phân tán hay tập trung Thực tế cho thấy mô hình phi tuyến tính với các tham số phân tán là mô hình đạt độ tin cậy cao nhất, cũng là mô hình khó xây dựng nhất [1]
Trang 2Các giả định đã được thừa nhận về lỗi của các model đối tượng phát sinh phụ thuộc vào đặc điểm cụ thể và điều kiện làm việc thực tế trong công nghiệp Với mục tiêu nhận dạng mô hình đối tượng cần điều khiển nhanh chóng và đơn giản, nhưng có
độ chính xác đạt yêu cầu, các nhà phát triển có thể thực hiện phân tích so sánh các mô hình khác nhau Quy trình so sánh này có thể được thực hiện một cách dễ dàng và tự động qua các model tính toán mô phỏng các đặc tính truyền nhiệt
Từ nhu cầu cấp thiết trên đây, phần mềm ứng dụng trên Visual C# về các đặc tính tĩnh và động của các bề mặt truyền nhiệt trong nhà máy nhiệt điện được xây dựng thành công Ứng dụng trên C# cung cấp khả năng kết nối trực tiếp với các bộ điều khiển PLC,
là kết quả quan trọng bước đầu trong quy trình xây dựng bộ tham số điều khiển tối ưu tổ máy nhiệt điện
II MÔ TẢ PHẦN MỀM C# - GAP
Mục đích đầu tiên của phần mềm tính toán đặc tính bề mặt truyền nhiệt là hỗ trợ cho phòng thí nghiệm và giáo trình môn học “Mô hình hóa đối tượng điều khiển nhiệt” tại bộ môn Tự động hóa các quá trình nhiệt (АСУТП), Đại học Năng lượng Mát-xcơ-va [5]
Cơ sở dữ liệu nguồn trong phần mềm gồm 40 biến thể (phương án) bộ giá trị các thông số công nghệ, xây dựng của lò hơi loại cận tới hạn có bình sinh hơi (BKZ-320) và
lò hơi siêu tới hạn (TGMP-314) Đồng thời phần mềm cũng cho phép tính toán dựa trên những dữ liệu nhập từ bên ngoài bởi người dùng Dữ liệu này được lưu tự động trong quá trình tính toán đặc tính Các dữ liệu nguồn sẽ được khởi tạo lại trong lần khởi động
kế tiếp và phục vụ để biểu diễn một cách đa dạng sự khác nhau của các bề mặt truyền nhiệt
Dưới đây là các tính năng chính được thực hiện trong chương trình:
1 Tính toán các bộ trao đổi nhiệt dạng: truyền nhiệt tán xạ thuận dòng chảy (hoặc ngược dòng); truyền nhiệt đối lưu khi môi trường bên ngoài nằm trên đường bão hoà; bức xạ nhiệt
2 Tính toán đặc tính tĩnh sử dụng một mô hình phi tuyến tính với các tham số vật
lý phần tán ứng với hai chất trao đổi nhiệt và tường đường ống truyền nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt tán xạ, (Distributed parameter DP-DP-DP) hoặc mô hình tham số phân tán của các chất trao đổi nhiệt nhưng tường ống dưới dạng tập trung (Concentrated parameter DP-CP-DP) [1]
Ở mỗi bước của quá trình tính toán, sự phân bổ nhiệt độ dọc theo chiều dài ống dẫn nhiệt của môi trường đã làm thay đổi tính chất động lực học của chất trao đổi nhiệt bên trong, dẫn tới thay đổi các đại lượng nhiệt dung riêng và khối lượng hơi nước theo tọa độ đường ống
3 Khi tính toán các bộ trao đổi nhiệt tán xạ ngược dòng, phần mềm cung cấp khả năng thực hiện thao tác lặp đi lặp để đến được giá trị gần đúng thực tế Tính các đặc tính
Trang 3động (tần số phức tạp) của quá trình truyền nhiệt đối với tất cả các kênh đầu vào và đầu
ra Trong trường hợp này, các mô hình tuyến tính được áp dụng tương ứng chất dẫn
nhiệt ngoài ống – thành ống – trong ống lần lượt là – CP-CP-CP; CP-CP-DP;
DP-CP-DP và mô hình xếp chồng nhiều ống MCP (Multi point model) [1]
4 Kết quả mô phỏng trong quá trình và bề mặt truyền nhiệt được đưa ra trên các cửa sổ của phần mềm và hiện trực tiếp lên màn hình máy tính
5 Ghi lại kết quả mô phỏng dưới dạng tệp ảnh theo địa chỉ người dùng chọn
Biểu diễn dữ liệu và điều khiển phần mềm
Thông thường, chạy chương trình và kiểm soát công việc của ứng dụng được thực hiện bởi chuột vi tính như các ứng dụng phổ biến Tuy nhiên, tải và kiểm soát chương trình có thể được thực hiện mà không sử dụng chuột bằng cách nhấn các phím thích hợp trên bàn phím Khi người dùng nhấp vào nút chuột phải sẽ xuất hiện trên màn hình bảng chỉ dẫn các phím tắt tương ứng với các chức năng
Trong cửa sổ đầu tiên "CHỌN CHẾ ĐỘ", như thể hiện trong Hình 1, các tính năng được cài đặt như sau:
Đăng ký người dùng;
Lựa chọn loại nhà máy điện (nhà máy nhiệt điện TPP hoặc nhà máy điện hạt nhân NPP);
Lựa chọn bề mặt truyền nhiệt tính toán;
Lựa chọn kiểu tính toán (các đặc tính tần số tĩnh hoặc động của bề mặt);
Chọn loại mô hình (với thông số DP - phân tán hoặc CP - tập trung)
Các nút điều khiển được đặt ở phía dưới cửa sổ
Hình 1: Cửa sổ khởi tạo “Operation mode selection”
Trang 4Sau khi đã chọn phương án mô phỏng và nhấn nút "Next" cửa sổ dữ liệu xuất hiện cho các phương án bề mặt truyền nhiệt đã chọn trên Hình 2
Các giá trị khối lượng riêng2và nhiệt dung riêngc p2của dòng nước hơi bên trong các ống được thiết lập tương đối (màu đỏ), do chúng phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, sự thay đổi của dòng chảy và sẽ được chính xác hóa sau phần tính đặc tính tĩnh
Hình 2: Cửa sổ “Your Data”
Tại của sổ này, người dùng có thể thay các thông số mới của người dùng sao cho phù hợp với thực tế, hoặc thay đơn vị của từng tham số chèn vào; hệ thống sẽ tự chuyển đổi trong hệ đơn vị SI
Tính toán đặc tính tĩnh
Tại Hình 3 (Preliminary calculations) là thông số tổng quan của bề mặt truyền nhiệt được tính toán và hiển thị Trong trường hợp là bề mặt truyền nhiệt dạng nghịch, cần phải đưa ra các giá trị gần đúng của thể tích V1 và chiều dài của dòng chảy ngoài ốngL1 Ngoài ra, cần thiết lập nhiệt độ bắt đầu của dòng chảy ngoài ống (đầu ra
out b
) sao cho sau quá trình tính toán, nhiệt độ kết thúc (đầu vào, 1end 1in) của dòng chảy ngoài ống bằng với thiết lập ban đầu tại cửa sổ Hình 2
Hình 3: Cửa sổ “Estimation”
Trang 5Sau kết quả tính toán tổng thể tại cửa sổ Hình 3, chúng ta có được các đồ thị kết quả tính toán đặc tính tĩnh của bề mặt truyền nhiệt sau đây: phân bố nhiệt độ dọc theo ống cho dòng chảy bên trong, dòng chảy bên ngoài, bề mặt bên trong và bên ngoài bức tường (Hình 4); sự phân bố nhiệt dung riêng và khối lượng riêng của dòng chảy bên trong
Hình 4: Phân bố nhiệt độ của bề mặt ống và các dòng chảy bên trong, ngoài ống theo mô hình DP
Trên Hình 4, bằng nút “Model”, bạn có thể thay đổi kiểu tường nhiệt truyền từ mô hình phân tán sang mô hình tập trung hoặc ngược lại Và trong các ô giá trị của "Current position", bạn có thể xác định tọa độ của điểm bất kỳ trên đồ thị bằng cách di chuyển mũi tên chuột trên đó, bằng cách này người dùng dễ dàng xác định được giá trị nhiệt độ của từng điểm dọc theo chiều dài ống truyền nhiệt
Khi tính toán mô phỏng đặc tính tĩnh, phần mềm từng bước đưa ra lần lượt sự phân bổ của khối lượng riêng và nhiệt dung riêng của dòng chảy trong ống theo trục chiều dài ống Những kết quả này cho phép xác định khối lượng riêng và nhiệt dung riêng của dòng chảy trong ống dễ dàng, từ đó tìm ra giá trị trung bình của các đại lượng trên và cập nhật lên bảng Hình 2
Tính toán tần số đáp ứng quá độ
Tại cửa sổ tiếp theo, Hình 5 các tham số truyền nhiệt tổng quát của dòng chảy được đưa ra Ở đây người dùng có thể chọn các dạng kênh cần mô phỏng của bộ trao đổi nhiệt
Sau khi nhấn nút "Next", cửa sổ tiếp theo sẽ hiển thị mô phỏng đồ thị Nyquist (CFC) cho kênh đã chọn (Hình 6)
Trong cửa sổ này, người sử dụng có thể đặt tần số cắt và thông số trục tọa độ
Sử dụng hai nút "Zoom In" và "Zoom Out" giúp dễ dàng thay đổi tỷ lệ hiển thị đường Nyquist Nút "Zoom In" cho phép xem đặc tính đối tượng ở vùng cao tần Khi
Trang 6nhấn một lần nữa, nó sẽ tăng tần số nhiều hơn và khi nhấn “Zoom Out” đường Nyquist
sẽ về dạng ban đầu
Tại vùng tần số cao, phần mềm đưa ra kết quả hoàn phù hợp với lý thuyết, theo đó đường Nyquist theo kênh nhiệt độ cho dòng chảy bên trong có xu hướng một vòng tròn với bán kính eSt2z và đường Nyquist của các kênh khác có thể là một vòng tròn ngay từ vùng tần số thấp
Hình 5: Channels to calculate
Hình 6: Cửa số “Dynamic peformance” Đồ thị Nyquist
Trang 7Trong trường "Organization coordinate z", đối với mô hình phân tán, bạn có thể nhập một giá trị tương ứng tọa độ dọc chiều dài ống, đường Nyquist được cập nhật sao khi ấn nút tính toán "Update" Đối với các giá trị khác nhau của độ dài phối hợp z, hoặc thay đổi dạng model mô phỏng khác, phần mềm cho phép biểu diễn tập hợp họ đường Nyquist giúp so sánh chúng với nhau Với nút "Clear" tất cả các tính toán trước đó sẽ bị xóa và chỉ còn lại kết quả tính toán được chọn mới nhất
Ẩn bên trong thanh trượt "Models", bạn có thể thực hiện chuyển đổi giữa các mô hình DP-CP-DP; CP-CP-CP, CP-CP-DP, MCP-n
Phần mềm có điểm bắt đầu của màn hình hiển thị, đánh dấu "Current position", thiết lập và phản ánh giá trị hiện tại của điểm chuột, giúp người dùng đánh giá đồ thị Nyquist
Kết quả cuối cùng của quy trình mô phỏng đối tượng điều khiển, người dùng chuyển sang một trang bên cạnh - mở ra một cửa sổ với đặc tính đáp ứng quá độ theo thời gian tính toán của kênh mô hình đã chọn, như thể hiện trong hình 7
Hình 7: Cửa sổ “Dynamic peformance” Đường quá độ
Ở đây, ngoài khả năng thiết lập các tham số hiển thị, có khả năng thiết lập các thông
số của công thức đảo ngược Furie - biến đổi - end tần số (giới hạn trên của hội nhập) và
số điểm tính toán, giúp đánh giá phân tích các tham số của đối tượng cần điều khiển Trong quá trình tính toán các đặc tính tần số, bằng phím "F1", bạn có thể gọi cửa
sổ trợ giúp "Help" với các lược đồ tín hiệu và bảng các công thức hàm truyền của tất cả các kênh, dùng để tính toán mô phỏng ra đồ thị đường Nyquist