Ứng dụng logic mờ thiết kế bộ điều khiển tốc độ tuabin khí

Động cơ tua bin khí với khối lượng và kích thước nhỏ gọn so với các loại động cơ cùng công suất khác có tính cơ động cao công suất lớn hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong các trạm phát điện tĩnh và trên các phương tiện giao thông vận tải Từ khi xuất hiện cho đến nay động cơ tua bin khí đã khẳng định được tính ưu việt của mình và là loại động cơ không thể thay thế trong ngành hàng không và trong lĩnh vực tàu thủy Đặc điểm cơ bản của tuabin khí là cấu tạo đơn giản ít hỏng hóc và tuổi thọ lớn Nhược điểm của chúng là đặc tính điều khiển phức tạp độ phi tuyến cao và khó biến đổi thông số trực tiếp Chính vì vậy việc nghiên cứu điều khiển tuabin khí hiện vẫn còn nhiều khả năng mở để các nhà khoa học tham gia nghiên cứu phát triển ứng dụng Từ đó tác giả đã chọn hướng nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho tổ hợp tua bin khí với mục đích xây dựng cấu trúc không quá phức tạp nhưng đảm bảo được tính đáp ứng nhanh và khả năng kháng nhiễu tốt các thay đổi tham số hệ thống đề tài Ứng dụng logic mờ thiết kế bộ điều khiển tốc độ tuabin khí được thực hiện nhằm nâng cao chất lượng động học của bộ điều khiển tua bin khí

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN PHẠM CÔNG ĐỨC

ỨNG DỤNG LOGIC MỜ THIẾT KẾ

BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN KHÍ

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số : 60 52 02 16

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN HOÀNG MAI

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Nguyễn Phạm Công Đức

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮC

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Tính cấp thiết của đề tài 1

3 Mục tiêu của đề tài 1

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

7 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN TUABIN KHÍ 4

1.1 Giới thiệu chung 4

1.2 Cấu tạo Tuabin khí 5

1.2.1 Khối nén khí 5

1.2.2 Buồng đốt 6

1.2.3 Tuabin 7

1.2.4 Hệ thống thấp áp – cao áp 8

1.3 Các phương pháp điều khiển Tua bin khí hiện nay 11

1.3.1 Các nghiên cứu trong nước 11

1.3.2 Các nghiên cứu nước ngoài 13

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA TỔ HỢP TUA BIN KHÍ 21

2.1 Nguyên lý hoạt động của tua bin khí 21

2.2 Mô hình toán học của hệ thống tua-bin khí (GT- Gas Turbine) 22

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ PID CHO HỆ THỐNG TUABIN KHÍ 35

3.1 Logic mờ và điều khiển mờ 35

3.1.1 Khái quát về lý thuyết điều khiển mờ 35

3.1.2 Định nghĩa tập mờ 35

3.1.3 Biến mờ, hàm biến mờ, biến ngôn ngữ 37

3.1.4 Suy luận mờ và luật hợp thành 37

3.1.5 Bộ điều khiển 39

3.1.6 Bộ điều khiển mờ PID (F-PID) 42

3.2.1 Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển 44

3.2.2 Tính toán các thông số của bộ điều khiển mờ PID 47

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 50

4.1 Sơ đồ hệ thống mô phòng bằng mờ PID 50

4.2 Mô phỏng bộ điều khiển mờ PID cho hệ thống tua bin khí 55

4.2.1 Khối điều khiển mờ 55

4.2.2 Kết quả mô phỏng 57

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

ỨNG DỤNG LOGIC MỜ THIẾT KẾ

BỘ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TUABIN KHÍ

Học viên:Nguyễn Phạm Công Đức Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa

Mã số: 60.52.02.16 Khóa: K31Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Động cơ tua bin khí với khối lượng và kích thước nhỏ gọn so với các loại động cơ

cùng công suất khác, có tính cơ động cao, công suất lớn hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong các trạm phát điện tĩnh và trên các phương tiện giao thông vận tải Từ khi xuất hiện cho đến nay, động cơ tua bin khí đã khẳng định được tính ưu việt của mình và là loại động cơ không thể thay thế trong ngành hàng không và trong lĩnh vực tàu thủy Đặc điểm cơ bản của tuabin khí là cấu tạo đơn giản, ít hỏng hóc và tuổi thọ lớn Nhược điểm của chúng là đặc tính điều khiển phức tạp, độ phi tuyến cao và khó biến đổi thông số trực tiếp Chính vì vậy việc nghiên cứu điều khiển tuabin khí hiện vẫn còn nhiều khả năng mở để các nhà khoa học tham gia nghiên cứu phát triển ứng dụng Từ đó tác giả đã chọn hướng nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho tổ hợp tua bin khí với mục đích xây dựng cấu trúc không quá phức tạp, nhưng đảm bảo được tính đáp ứng nhanh và khả năng kháng nhiễu tốt, các thay đổi tham số hệ thống, đề tài “Ứng dụng logic mờ thiết kế bộ điều khiển tốc độ tuabin khí” được thực hiện nhằm nâng cao chất lượng động học của bộ điều khiển tua bin khí

Từ khóa - Gas Turbine; Heavy Duty Gas Turbine; PID controller; Fuzzy logic;

Abstract - Gas turbine engines with compact size and light weight compared to other types of

engines with the same power, have high mobility and are currently being widely used in static power stations and transportation vehicles Since its appearance, Gas turbine engines have proved their superiority and they are engines that can’t be replaced in aviation and ship industry The principal characteristics of gas turbines are simple structure, less failure and long life Their disadvantages are complex controllability, high nonlinearity and difficulty to change parameters directly Therefore, research into gas turbine control is still open to scientists to participate in research and development

In light of this,the authors have chosen to study and design a controller for gas turbine engines with the following goals: building structure is not too complicated, but ensures fast response, resistance to interference of the changes taking system number and easy to change system parameters This paper

"Design of fuzzy controller to control the speed of gas turbine" will present the design of the a gas turbine controller that has improved kinetic quality

Keyword - Gas Turbine; Heavy Duty Gas Turbine; PID controller; Fuzzy logic;

Pa Áp suất ở biên máy nén

P1 Áp suất đường ống vào

P2 Áp suất cửa xả máy nén

P3 Áp suất đầu vào Tuabin

P4 Áp suất đầu ra Tuabin

WFe Tỉ lệ lượng nhiên liệu động cơ

Ta Nhiệt độ ở biên máy nén

T1 Nhiệt độ đường ống vào

T2 Nhiệt độ phân phối trong máy nén

T3 Nhiệt độ đầu vào tuabin

T4 Nhiệt độ ra khỏi tuabin

ŋc Hiệu suất đường ống vào

Nhiệt dung trung bình của khí chảy trong tuabin

JR Mô men quán tính của rotor

e 1 Đầu ra Hệ thống nhiên liệu

W f Đầu ra phân phối khí gas nhiên liệu

f 1 Tốc độ của tuabin

W Công suất tăng tốc máy phát

kNL Lượng nhiên liệu tiêu thụ khi không tải

b Hằng số thời gian định vị Van nhiên liệu (s)

kF Độ lợi phản hồi hệ thống nhiên liệu

TCR Thời gian trễ của buồng đốt (s)

TTD Thời gian trễ của tuabin đến hệ thống xả (s)

TCD Thời gian trễ của máy nén (s)

A Thông số khối mômen tuabin khí

B Thông số khối mômen tuabin khí

C Thông số khối nhiệt độ khí thải của tua bin khí (oC)

D Thông số khối nhiệt độ khí thải của tua bin khí (o

C)

GT Gas Turnbine

ŋGT Hiệu suất của GT

HDGT Heavy Duty Gas Turbine

KP , KI , KD PID parameters

Bảng 3.1 Bảng luật hợp thành của hệ số KP 48

Bảng 3.2 Bảng luật hợp thành của hệ số KI 49

Bảng 3.3 Bảng luật hợp thành của hệ số KD 49

Bảng 4.1 Thông số định danh mô hình hệ HDGT 50

Bảng 4.2 Các thông số tính toán hiệu suất của máy nén và tuabin khi hoạt động 50

Bảng 4.3 Lượng nhiên liệu tối thiểu để duy trì buồng đốt và hoạt động không tải 52

Bảng 4.4 Dữ liệu để tính độ trễ hệ thống nhiên liệu 52

Bảng 4.5 Dữ liệu để tính độ trễ của khâu xả máy nén 52

Bảng 4.6 Bảng giá trị các tham số được sử dụng cho mô hình HDGT 53

Bảng 4.7 So sánh kết quả mô phỏng của hai bộ điều khiển với tham số nhiễu bằng 0.005 57

Bảng 4.8 So sánh kết quả mô phỏng của hai bộ điều khiển với tham số nhiễu bằng 0.01 58

Bảng 4.9 So sánh kết quả mô phỏng của hai bộ điều khiển với tham số nhiễu bằng 0.05 59

Bảng 4.10 So sánh kết quả mô phỏng của hai bộ điều khiển với tham số nhiễu bằng 0.1 60

Bảng 4.11.So sánh kết quả mô phỏng của hai bộ điều khiển với tham số nhiễu bằng 0.15 61

Bảng 4.12 So sánh kết quả mô phỏng của hai bộ điều khiển với tham số nhiễu bằng 0.2 62

Hình 1.1: Mô hình tua bin khí 4

Hình 1.2: Các tầng rotor của máy nén khí dọc trục (các tầng cánh quạt quay), ở đây phần Stator bị dỡ ra nên không nhìn thấy các cánh dẫn hướng trung gian giữa các tầng là các cánh cố định gắn vào stator 5

Hình 1.3: Các ống lửa của buồng đốt 6

Hình 1.4: Các tầng cánh tuốc bin 7

Hình 1.5: Sơ đồ động cơ tuốc bin cánh quạt 8

Hình 1.6: Sơ đồ động cơ tuốc bin phản lực 9

Hình 1.7: Sơ đồ động cơ tuốc bin hai viền khí 10

Hình 1.8: Động cơ tuốc bin phản lực cánh quạt 10

Hình 1.9: Mô hình hóa cấu trúc van nhiêu liệu theo Rowen 12

Hình 1.10:Mô hình hệ thống tua bin khí 15

Hình 1.11:Cấu trúc của bộ điều khiển 15

Hình 1.12: Sự thay đổi khi có tải 16

Hình 1.13: Kết quả của bộ quan sát khi có tải 14

Hình 1.14: Sơ đồ khối hệ thống tua bin khí 17

Hình 1.15: Kết quả bộ điều PID và Fuzzy 17

Hình 1.16: Sơ đồ khối hệ thống tua bin khí với bộ điều khiển PID và Fuzzy 18

Hình 1.17: Kết quả bộ điều PID 16

Hình 1.18: Kết quả bộ điều khiển tuabin khí khi có tải 17

Hình 1.19: Kết quả bộ điều Fuzzy 17

Hình 1.20: Kết quả bộ điều Fuzzy Error! Bookmark not defined Hình 1.21: Sơ đồ khối hệ thống tua bin khí với bộ điều khiển FuzzyError! Bookmark not defined. Hình 1.22: Sơ đồ khối hệ thống tua bin khí 19

Hình 1.23: Các bộ điều khiển 19

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của tua bin khí 21

Hình 2.2: Chu trình Brayton lý tưởng 22

Hình 2.3: Chu kỳ Brayton thực tế 23

Hình 2.4: Sơ đồ khối truyền ngược 24

Hình 2.5: Chu trình Brayton có làm lạnh 24

Hình 2.6: Mô hình toán học của một hệ HDGT (Heavy Duty Gas Turbine) 25

Hình 2.7 Biểu đồ quan hệ tham số cho mô hình phần tử 26

Hình 2.8: Sơ đồ khối hệ thống tuabin khí 27

Hình 2.10 Bộ định vị van nhiên liệu 33

Hình 3.1 Một số dạng hàm liên thuộc 36

Hình 3.2 Các phép toán hợp, giao, bù của 2 tập mờ 37

Hình 3.3 Mô tả hàm liên thuộc của mệnh đề điều kiện 39

Hình 3.4 Mô tả hàm lien thuộc mệnh đề kết luận 39

Hình 3.5 Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển mờ 40

Hình 3.6 Giải mờ bằng phương pháp cực đại 40

Hình 3.7 Giải mờ theo nguyên lý trung bình 40

Hình 3.8 Giải mờ theo nguyên lý cận phải 41

Hình 3.9 Giải mờ theo nguyên lý cận trái 41

Hình 3.10 Giải mờ theo phương pháp trọng tâm 42

Hình 3.11 Giải mờ theo phương pháp điểm trung bình tâm 42

Hình 3.12 Vùng tác động của các bộ điều khiển 43

Hình 3.13 Sơ đồ hệ thống mô phỏng điều khiển bằng PIDError! Bookmark not defined. Hình 3.14 Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển PID 46

Hình 3.15 Đặc tính quá độ thường gặp của hệ thống 48

Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống mô phỏng điều khiển bằng Mờ PIDError! Bookmark not defined. Hình 4.2 Cấu trúc bộ điều khiển mờ được mô phỏng 55

Hình 4.3 Tập mờ của biến vào sai lệch 55

Hình 4.4 Tập mờ của biến vào đạo hàm sai lệch 56

Hình 4.5 Tập mờ của các biến ra hệ số điều khiển 56

Hình 4.6 Kết quả mô phỏng khi thử nghiệm với nhiễu bằng 0.005 57

Hình 4.7 Kết quả mô phỏng khi thử nghiệm với nhiễu bằng 0.01 58

Hình 4.8 Kết quả mô phỏng khi thử nghiệm với nhiễu bằng 0.05 59

Hình 4.9 Kết quả mô phỏng khi thử nghiệm với nhiễu bằng 0.1 60

Hình 4.10 Kết quả mô phỏng khi thử nghiệm với nhiễu bằng 0.15 61

Hình 4.11 Kết quả mô phỏng khi thử nghiệm với nhiễu bằng 0.2 62

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Động cơ tua bin khí với khối lượng và kích thước nhỏ gọn so với các loại động

cơ cùng công suất khác, có tính cơ động cao, công suất lớn hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong các trạm phát điện tĩnh và trên các phương tiện giao thông vận tải Từ khi xuất hiện cho đến nay, động cơ tua bin khí đã khẳng định được tính ưu việt của mình và là loại động cơ không thể thay thế trong ngành hàng không và trong lĩnh vực tàu thủy

Các hệ thống khai thác nhiệt năng như diesel, tua bin hơi (steam turbine), tua bin khí (Gas turbine) thì tuabin khí là loại thiết bị vận hành có hiệu suất cao nhất Đồng thời cấu trúc hệ thống nhỏ gọn và thường được dùng cho những thiết bị di động như máy bay, tàu thủy Ngày nay nhiều ứng dụng tại chỗ cũng dùng tuabin khí như nhà máy nhiệt điện tuabin khí, thiết bị quay cao tốc

2 Tính cấp thiết của đề tài

Đặc điểm cơ bản của tuabin khí là cấu tạo đơn giản, ít hỏng hóc và tuổi thọ lớn Nhược điểm của chúng là đặc tính điều khiển phức tạp, độ phi tuyến cao và khó biến đổi thông số trực tiếp Chính vì vậy việc nghiên cứu điều khiển tuabin khí hiện vẫn còn nhiều khả năng mở để các nhà khoa học tham gia nghiên cứu phát triển ứng dụng

Từ đó tác giả đã chọn hướng nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho tổ hợp tua bin khí với mục đích xây dựng cấu trúc không quá phức tạp, nhưng đảm bảo được tính đáp

ứng nhanh và khả năng kháng nhiễu tốt, các thay đổi tham số hệ thống, đề tài “Ứng dụng logic mờ thiết kế bộ điều khiển tốc độ tua bin khí” được thực hiện nhằm nâng

cao chất lượng động học của bộ điều khiển tua bin khí

3 Mục tiêu của đề tài

- Tìm hiểu và làm chủ công nghệ điều khiển tua bin khí trên tàu thủy để đáp ứng nhu cầu cải tiến, bảo trì, bảo dưỡng, thay thế và sửa chữa thiết bị

- Nghiên cứu về lý thuyết điều khiển PID và mờ để thiết kế bộ điều khiển cho tổ hợp tua bin khí và kiểm tra hoạt động của hệ thống

4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu:

Là hệ thống tua bin khí Xác định quan hệ động học giữa chúng và nghiên cứu xây dựng cấu trúc bộ điều khiển tua bin khí bằng phương pháp mờ

* Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu nguyên lý làm việc của tua bin khí

- Nghiên cứu lý thuyết bộ điều khiển PID và mờ cho hệ thống tua bin khí

- Mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của tua bin khí và các yếu tố khác liên quan đến sự làm việc của tua bin khí

- Nghiên cứu về lý thuyết bộ điều khiển PID và mờ ứng dụng trong phi tuyến

- Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển tua bin khí

- Mô phỏng kiểm chứng thuật toán điều khiển

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

* Ý nghĩa khoa học:

Đề tài đã nghiên cứu về mô hình tuabin khí, ứng dụng phương pháp điều khiển

mờ cho bộ điều khiển tua bin khí, có so sánh chất lượng động học để đánh giá tốt hơn

so với nhiều phương pháp PID kinh điển

* Ý nghĩa thực tiễn:

Đề tài này hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng nhằm phục vụ bộ điều khiển hiện nay trong các tua bin khí để nâng cao về chất lượng và sự ổn định của các hệ thống này

7 Cấu trúc luận văn

Ngoài chương mở đầu, trong luận văn còn có các phần và chương kế tiếp như sau:

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về bộ điều khiển tua bin khí

Chương này giới thiệu khái quát về cấu trúc Tuabin khí, đặc điểm và chức năng làm việc của các phần tử trong tuabin khí Trình bày nguyên lý hoạt động và phân tích những đặc điểm làm việc của bộ điều khiển Tuabin khí

Chương 2.Mô hình hóa tổ hợp tuabin khí

- Chương này giới thiệu, nghiên cứu và phân tích quá trình động học của các phần tử trong tua bin khí Trình bày các biểu thức tính toán liên quan và các phương trình động lực học, từ đó xây dựng mô hình toán và mô hình tổ hợp cho các phần tử tua bin khí

- Mô hình hóa đối tượng điều khiển của tua bin khí theo các dạng mô hình đã được định nghĩa, giúp cho việc nghiên cứu ổn định của hệ được đơn giản hơn nhưng vẫn không mất đi tính đa dạng của đối tượng

- Tổng hợp và xây dựng mô hình phi tuyến tuabin khí, từ đó xây dựng mô hình trạng thái phi tuyến hóa lân cận điểm làm việc, đồng thời so sánh, đánh giá về sự chính xác của các mô hình

Chương 3 Thiết kế bô điều khiển mờ điều khiển tốc độ tua bin khí

Chương này giới thiệu về phương pháp điều khiển mờ trượt, xây dựng các cấu trúc điều khiển mờ trượt cho các mô hình trạng thái đã xét, mô phỏng kiểm chứng kết quả nghiên cứu bằng phần mềm Matlab

Chương 4 Kết quả mô phỏng và nhận xét

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN TUABIN KHÍ

1.1 Giới thiệu chung

Thiết bị tuabin khí là động cơ nhiệt trong đó hóa năng (năng lượng liên kết hóa học) của nhiên liệu được biến đổi thành cơ năng nhờ những bộ phận của máy quay có cánh Quá trình chuyển đổi năng lượng trong động cơ này có thể thực hiện bằng những chu trình nhiệt động khác nhau, trong đó có hai loại chu trình cơ bản thực sự có ý nghĩa là:

- Chu trình với quá trình cháy đẳng áp, đó là chu trình Brayton

- Chu trình với quá trình cháy đẳng tích, đó là chu trình Hunphrey

Hình 1.1: Mô hình tua bin khí

Đặc điểm của GT:

- Tua bin khí được sử dụng trong các động cơ đẩy máy bay, máy phát điện, tàu thủy cao tốc

- Hiệu suất nhiệt cao, lên đến 44%

- Thích hợp cho các chu trình kết hợp (với nhà máy nhiệt điện hơi nước)

- Công suất cao so với các kiểu động cơ khác cùng tỷ lệ khối lượng, độ tin cậy cao, tuổi thọ dài

- Thời gian khời động ngắn, khoảng 2 phút so với 4 giờ cho hệ thống hơi nước cùng công suất

- Tỷ số công tác ngược cao (tỷ số làm việc từ máy nến đến hoạt động tua bin), lên đến 50% so với vài phần trăm trong các nhà máy nhiệt điện hơi nước

1.2 Cấu tạo Tuabin khí

1.2.1 Khối nén khí

Khối nén khí là một trong các khối công năng chính của động cơ tuốc bin khí có chức năng làm tăng nội năng (áp suất) không khí tạo áp suất cho đỉnh trên (đỉnh 3 hình

đồ thị P-v của chu trình Brayton) cho quá trình giãn nở sinh công (giai đoạn 3-4 trong

đồ thị P-v Brayton) áp suất sau máy nén càng cao thì hiệu suất nhiệt động lực học càng lớn, do đó máy nén khí quyết định hiệu suất của động cơ Tại các động cơ tuốc bin khí hiện đại đòi hỏi tỷ số nén (Áp suất sau máy nén/áp suất trước máy nén) phải từ 10-20 Tất cả các loại máy nén khí trong động cơ tuốc bin khí đều theo nguyên tắc dùng rãnh diffuser (thiết diện rãnh khí nở ra) để biến động năng (vận tốc) của dòng không khí thành nội năng (áp suất)

Khối nén khí của động cơ tuốc bin khí có thể gồm các loại như:

Ly tâm: không khí từ cửa hút gần trục, dưới tác dụng của lực ly tâm chạy theo rãnh của cánh ly tâm chạy ra bán kính lớn hơn Đĩa cánh quạt quay tạo cho không khí có vận tốc tuyệt đối ngày càng cao Và khi chuyển động ly tâm theo chiều bán kính, rãnh đĩa ly tâm có hình dạng thiết diện nở ra (diffuser) sẽ làm giảm vận tốc chuyển động tương đối của không khí đối với rãnh đĩa ly tâm và làm tăng áp suất một cách tương ứng (động năng giảm, nội năng tăng – định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng) Loại máy nén này có hiệu suất cao và một loạt ưu điểm khác Tuy nhiên, với động cơ công suất lớn thì sẽ có kích thước theo bán kính lớn nên không thích hợp cho máy bay; nó chỉ

để lắp đặt cho các động cơ cố định loại lớn hoặc lắp hạn chế cho một số loại trực thăng

Hình 1.2: Các tầng rotor của máy nén khí dọc trục (các tầng cánh quạt quay), ở đây phần Stator bị dỡ ra nên không nhìn thấy các cánh dẫn hướng trung gian giữa các tầng

là các cánh cố định gắn vào stator

Loại máy nén khí thông dụng nhất trong các động cơ tuốc bin khí hàng không là loại máy nén dọc trục (tiếng Anh: axial-flow compressor) về mặt khối lượng, hiệu suất loại dọc trục đều kém hơn máy nén khí ly tâm nhưng có hình dạng thon dài hình xì gà rất thích hợp cho động cơ máy bay Trong loại máy nén này không khí bị các đĩa cánh

quạt gia tăng vận tốc tuyệt đối và lùa không khí chảy dọc trục trong các rãnh khí giữa các cánh quạt Các rãnh khí này có hình dạng thiết diện nở ra (diffuser) và làm giảm vận tốc tương đối của không khí đồng thời làm tăng áp suất Vì hiệu suất nén của loại cánh quạt dọc trục không cao nên máy nén phải có nhiều tầng cánh quạt: không khí bị nén tại một tầng được dẫn hướng và nén tiếp trong tầng kế tiếp Động cơ tuốc bin khí hiện đại thường có từ 10-20 tầng nén khí, giữa các tầng cánh quạt nén là các tầng cánh dẫn hướng trung gian được gắn cố định vào stator

Máy nén ly tâm dọc trục: kết hợp tính chất của hai loại máy nén cơ bản trên

1.2.2 Buồng đốt

Hình 1.3: Các ống lửa của buồng đốt

Buồng đốt của động cơ tuốc bin khí là loại ống lửa hở thường là khoảng 7-10 ống được bố trí thành vòng tròn xung quanh trục động cơ phía sau khối nén và phía trước tuốc bin Mỗi ống lửa có một vòi phun nhiên liệu đặt ở mặt phía trước

Ống lửa thường là các đốt thép hình côn (giống như các đốt con nhộng) được đặt

so le gối đầu và được hàn với nhau, tại các đường hàn đó có rất nhiều các lỗ nhỏ (đường kính lỗ 0,5-1mm): không khí của dòng thứ cấp chảy từ bên ngoài chảy qua các lỗ này sẽ tạo thành các lớp khí làm mát sát mặt ống lửa bên trong để bảo vệ ống lửa Ngoài ra trên các đốt của ống lửa còn có các lỗ to để dòng không khí thứ cấp từ bên ngoài đi vào để làm chất giãn nở sinh công và để làm nguội dòng lửa nóng trước khi đi vào tuốc bin

Không khí từ máy nén gặp các ống lửa sẽ bị chia thành hai dòng khí dòng khí sơ cấp – để đốt cháy nhiên liệu dòng khí này khoảng 30% khối lượng khí và dòng khí thứ cấp khoảng 70% để làm mát bảo vệ ống lửa và làm chất giãn nở sinh công và để hòa vào dòng lửa phụt để làm giảm nhiệt độ dòng lửa phụt khi đi vào tuốc bin

Dòng khí sơ cấp đi thẳng vào ống lửa qua các khe xoáy tại mặt trước ống lửa sẽ

tạo thành dòng xoáy trộn với sương nhiên liệu được phun ra từ vòi phun nhiên liệu và được đốt mồi bằng bugi (nến điện) lúc khởi động sau đó quá trình cháy là liên tục không cần nến điện nữa

Dòng khí thứ cấp chảy bao bọc bên ngoài ống lửa, một phần dòng khí này đi vào

các lỗ nhỏ trên mối hàn tiếp giáp các đốt ống để đi vào bên trong ống lửa tạo thành lớp khí làm mát trên mặt trong của ống lửa để bảo vệ ống lửa Phần còn lại đi vào các lỗ lớn

trên các đốt ống để hòa vào dòng lửa phụt phần khí này để làm chất giãn nở sinh công

và để giảm bớt nhiệt độ của dòng lửa phụt trước khi đi vào tuốc bin Tại trung tâm dòng lửa phụt nhiệt độ khoảng 1500-1600°C nhưng khi đi vào tuốc bin nhiệt độ chỉ còn khoảng từ 800-1000°C

Mặt sau của ống lửa để hở hướng thẳng vuông góc vào đĩa cánh tuốc bin Cơ cấu buồng đốt hở cho phép quá trình cháy, gia nhiệt trong buồng đốt là quá trình đẳng áp: không khí tăng nhiệt độ lên rất cao, sinh thể tích rất lớn, sinh vận tốc phụt rất cao nhưng

áp suất tại điểm vào và ra khỏi buồng đốt là như nhau (điểm 2 và điểm 3 trên đồ thị P-V của chu trình Brayton) quá trình cháy đẳng áp cho phép luồng khí nóng trong buồng đốt chỉ phụt mạnh về phía tuốc bin mà không bị thổi ngược về phía khối nén khí

1.2.3 Tuabin

Hình 1.4: Các tầng cánh tuốc bin

Tuabin là khối sinh công có ích hoạt động theo nguyên tắc biến nội năng và động năng của dòng khí nóng áp suất và vận tốc cao thành cơ năng có ích dưới dạng mô men quay cánh tuốc bin: tại cánh tuốc bin dòng khí nóng giãn nở sinh công Các cánh tuốc bin khác với cánh máy nén ở hình dạng thiết diện rãnh khí tại tuốc bin là thiết diện hội

tụ (converge): vận tốc tương đối trong rãnh khí tăng lên làm giảm áp suất, nhiệt độ không khí

Để làm mát cho cánh tuốc bin, cánh tuốc bin sẽ được làm rỗng và bên trong được dẫn khí làm mát Cánh tuốc bin là bộ phận chịu ứng suất cao nhất và là bộ phận nhiều rủi ro nhất: vừa chịu nhiệt độ rất cao vừa quay với vận tốc rất lớn nên công nghệ chế tạo tuốc bin là tổng hợp của các thành tựu của nhiều ngành khoa học như luyện kim, vật liệu, chế tạo máy

Tuốc bin được nối với máy nén khí để quay máy nén khí và còn được nối với các phụ tải khác Trong các động cơ máy bay thường chỉ có các tuốc bin nối với máy nén khí mà không có tuốc bin tự do (không nối với máy nén), còn tại các động cơ với những công năng khác thường bố trí tuốc bin tự do để nâng cao hiệu suất động cơ nâng cao tính năng vận hành của động cơ

1.2.4 Hệ thống thấp áp – cao áp

Về mặt hiệu suất sẽ là tốt nhất nếu mỗi tầng máy nén – tuốc bin quay theo các vận tốc quay khác nhau (tầng nén phía ngoài quay chậm hơn, tầng phía trong quay nhanh hơn) nhưng như vậy sẽ rất phức tạp về chế tạo do đó để đảm bảo hợp lý về chế tạo và hiệu suất người ta chia máy nén thành hai khối: máy nén thấp áp (các tầng phía trước) và máy nén cao áp (các tầng phía sau) Tuốc bin cũng được chia thành hai khối: tuốc bin cao áp (các tầng phía trước) và tuốc bin thấp áp (các tầng phía sau) tuốc bin thấp áp lai máy nén thấp áp, tuốc bin cao áp lai máy nén cao áp Như vậy hai khối máy nén – tuốc bin này quay theo các vận tốc góc khác nhau, chúng là hai hệ trục đồng trục: trục cao áp bên ngoài và trục thấp áp bên trong

Phân Loại

Động cơ tuốc bin khí là động cơ có số lượng nhiều nhất và là động cơ chính của ngành hàng không cho máy bay, ngoài ra nó còn được lắp cho các mục đích khác như cho các trạm phát điện giờ cao điểm hoặc cho tàu biển cao tốc, tàu hoả, thậm chí một số loại xe tăng

 Động cơ Hàng Không

Động cơ tuốc bin khí cho ngành hàng không vì tính năng khối lượng – kích thước

có tầm quan trọng rất lớn nên đa số là loại động cơ có máy nén dọc trục và có hai khối cao áp, thấp áp Đối với động cơ phản lực thì động cơ có thêm các bộ phận cực kỳ quan trọng là phễu phụt và buồng đốt tăng lực

 Động cơ tuốc bin cánh quạt

Hình 1.5: Sơ đồ động cơ tuốc bin cánh quạt 1: Cánh quạt đẩy chính; 2: Hộp số giảm tốc; 3: động cơ tuốc bin khí

Đây là loại động cơ tuốc bin khí để lai cánh quạt tạo lực đẩy cho máy bay (tiếng Anh: Turbo Propeller viết tắt Turboprop) Động cơ loại này có hiệu suất cao nhất nên tính kinh tế cao nhất trong các loại động cơ tuốc bin của hàng không, nhưng vì đặc điểm lực đẩy cánh quạt nên loại động cơ này cho vận tốc thấp nhất do đó loại này chuyên để lắp cho các máy bay vận tải khỏe, cần tính kinh tế cao nhưng không cần vận tốc lớn, điển hình như loại máy bay vận tải Lockheed C-130 Hercules của Mỹ

Cánh quạt được nối vào trục máy nén khí áp thấp qua hộp số giảm tốc Đặc điểm của loại động cơ này là tuốc bin của động cơ vừa lai máy nén vừa lai tải chính là cánh quạt nên phải thiết kế tuốc bin sao cho sử dụng được hết năng lượng của dòng khí nóng sau buồng đốt Với loại động cơ này, dòng khí sau khi ra khỏi tuốc bin có vận tốc còn rất thấp, nhiệt độ, áp suất gần cân bằng với môi trường

Vì cánh quạt nối thẳng với máy nén khí nên khi thay đổi tốc độ sẽ ảnh hưởng nhiều đến chế độ làm việc của máy nén và toàn bộ động cơ nên tính linh hoạt của loại động cơ này không tốt (hiệu suất giảm khi giảm công suất, tốc độ)

Loại này cũng để trang bị cho trực thăng mô men quay được truyền qua hộp số và chuyển hướng để quay cánh quạt nâng nằm ngang (tiếng Anh: Turbo Shaft)

 Động cơ tuốc bin phản lực

Hình 1.6: Sơ đồ động cơ tuốc bin phản lực 1: Cửa thu khí; 2: Máy nén; 3: buồng đốt; 4: Tuốc bin; 5: Phễu phụt

Động cơ tuốc bin phản lực (tiếng Anh: turbo-Jet là động cơ tuốc bin khí dùng động năng của dòng khí nóng phụt thẳng về phía sau tạo phản lực đẩy máy bay về phía trước Đây là loại động cơ để trang bị cho máy bay phản lực nhất là các máy bay chiến đấu siêu âm Loại động cơ này cho vận tốc cao nhất trong các loại động cơ tuốc bin của hàng không nhưng tính kinh tế thấp nhất

Tuốc bin của loại động cơ này chỉ khai thác một phần năng lượng dòng khí nóng sau buồng đốt chỉ đủ để lai máy nén khí còn phần năng lượng còn lại dùng để phụt thẳng vào môi trường tạo phản lực (chính vì vậy hiệu suất của loại động cơ này thấp) Các loại động cơ phản lực phải có thêm một thiết bị là phễu phụt lắp phía sau tuốc bin

để tăng tốc độ dòng khí Nếu là động cơ cho máy bay dưới tốc độ âm thanh thì phễu phụt

có hình hội tụ (converge) còn đối với máy bay siêu âm thì áp dụng phễu phụt siêu âm (hội

tụ – nở rộng hay còn gọi là phễu phụt De Laval theo tên nhà kỹ thuật người Hà Lan)

 Động cơ tuốc bin phản lực có buồng đốt tăng lực

Là một loại của động cơ tuốc bin phản lực dùng cho các máy bay chiến đấu cao tốc nhất là các máy bay tiêm kích cần phát triển tốc độ chiến đấu nhất thời thật cao Về cấu tạo động cơ này rất giống các động cơ tuốc bin phản lực thông thường nhưng có thêm buồng đốt thứ cấp phía sau tuốc bin và phía trước phễu phụt buồng đốt này còn gọi là buồng đốt tăng lực tại buồng đốt này có các vòi phun nhiên liệu khi cần tăng tốc phun thêm nhiên liệu vào buồng tăng lực để đốt thêm tạo thêm lực đẩy phản lực Khi

tăng lực hiệu suất rất thấp và tốn rất nhiều nhiên liệu nên máy bay chỉ tăng lực trong thời gian ngắn như khi công kích, bỏ chạy hoặc cơ động tránh tên lửa

 Động cơ tuốc bin hai viền khí

Hình 1.7: Sơ đồ động cơ tuốc bin hai viền khí 1: Cánh quạt ngoài; 2: động cơ tuốc bin khí; 3: dòng khí đi bên trong động cơ; 4: dòng

khí đi bên ngoài động cơ

Có tài liệu tiếng Anh gọi loại này là turbofan Đây là loại động cơ mà các cánh quạt tầng ngoài cùng của máy nén áp thấp có cấu tạo và kích thước đặc biệt lùa không khí làm hai dòng: một dòng đi qua động cơ (dòng số 3 trên hình vẽ) và một dòng đi vòng qua động cơ tạo lực đẩy trực tiếp (dòng số 4) và hai dòng này hòa vào nhau tại phễu phụt vì vậy động cơ được gọi là động cơ hai viền khí (tiếng Anh: two-contour turbojet, tiếng Nga: двухконтурный турбо-двигатель) Đây là phương án trung gian giữa động cơ tuốc bin cánh quạt và động cơ tuốc bin phản lực Đối với loại động cơ này

có một chỉ số rất quan trọng đó là hệ số hai viền khí (tiếng Anh: Bypass ratio) m là tỷ lệ thể tích của khối khí chạy bên ngoài so với khối khí chạy bên trong động cơ, (đối với động tuốc bin phản lực thuần túy m = 0) chỉ số càng lớn thì động cơ có hiệu suất càng tốt và càng giống động cơ tuốc bin cánh quạt và vận tốc càng thấp, hệ số này lớn hơn 2 thì không thể phát triển được vận tốc siêu âm Còn các động cơ siêu âm có hệ số m thấp hơn hoặc bằng 2

 Động cơ phản lực cánh quạt

Hình 1.8: Động cơ tuốc bin phản lực cánh quạt

1: cánh quạt ngoài; 2: capote (vỏ) ngoài; 3: động cơ tuốc bin khí; 4: luồng khí phản lực qua bên trong động cơ; 5: luồng khí tạo lực đẩy từ cánh quạt không qua lõi động cơ

Có tài liệu tiếng Anh gọi loại động cơ này là động cơ turbofan nhưng có tài liệu lại gọi turbofan là động cơ hai viền khí nói chung

Động cơ tuốc bin phản lực cánh quạt là một phiên bản nhánh của động cơ hai viền khí trong đó cánh quạt ngoài nằm hẳn ra ngoài được bao bằng vỏ capote ngoài, vỏ này ngắn nên hai dòng khí bên ngoài và bên trong động cơ không hòa vào nhau Nhìn bên ngoài rất dễ nhận ra loại động cơ này vì vỏ capote ngoài này ngắn tạo thành 2 lớp vỏ giật cấp

Đây là động cơ có hệ số m cao thường từ 6-10 và nghiêng về tính chất động cơ cánh quạt Loại động cơ này thường ở các máy bay hành khách và vận tải dân dụng cần tốc độ và tính kinh tế hợp lý Các máy bay hành khách dân dụng nổi tiếng Boeing và Airbus trang bị các động cơ này

 Động cơ cố định

Ngoài ngành Hàng không động cơ tuốc bin khí còn được trang bị cho một số loại mục tiêu khác ví dụ cho hệ động lực của tàu biển cao tốc hoặc cho một số trạm phát điện giờ cao điểm

Vì động cơ tuốc bin khí có hiệu suất thấp hơn động cơ diesel nhưng có công suất rất cao nên người ta chỉ dùng loại động cơ này cho mục đích cao điểm: các trạm phát điện tuốc bin khí chỉ phát điện vào giờ cao điểm khi yêu cầu công suất của các giờ này cao hơn mức trung bình vài lần nhưng thời gian không lâu Các tàu cao tốc trang bị tuốc bin khí cũng chỉ dùng động cơ này khi cần phát triển tốc độ tối đa ngắn hạn

Vì được bố trí tại những vị trí không đòi hỏi cao về yêu cầu kích thước và khối lượng nên để tăng hiệu suất của cụm động cơ tuốc bin khí người ta còn kết hợp với các chu trình phụ như "tái tạo" (regeneration), làm lạnh khí nén (intercooling), tận dụng nhiệt khí thải Các cụm động cơ này thường trang bị nén khí li tâm có hiệu suất cao hơn loại dọc trục

Và một đặc điểm rất nổi bật của động cơ tuốc bin khí ngoài ngành hàng không là

nó có tuốc bin tự do (không nối với máy nén) để lai phụ tải chính Đối với loại động cơ này các tuốc bin cao áp, thấp áp không sử dụng hết tiềm năng năng lượng của dòng khí nóng sau buồng đốt nó chỉ lấy đủ nhu cầu quay hai máy nén cao áp và thấp áp, còn phần năng lượng còn lại sẽ tiếp tục được giãn nở sinh công trong các tầng tuốc bin tự do để sinh công có ích cho phụ tải chính

1.3 Các phương pháp điều khiển Tua bin khí hiện nay

1.3.1 Các nghiên cứu trong nước

Hiện nay nghiên cứu trong nước về tua bin khí vẫn còn rất hạn chế, chủ yếu là các nghiên cứu về tua bin hơi, tua bin thủy lực, tua bin gió… Có một vài nghiên cứu về tua bin khí như [3] của tác giả Nguyễn Hoàng Mai, Trần Văn Dũng

Dao động tần số thấp trong máy phát điện nối với lưới điện là một vấn đề quan trọng đối với các hệ thống điều khiển, đặc biệt là trong máy phát điện tuabin khí với tốc

độ cao Sự dao động làm ảnh hưởng đến tuổi thọ, kinh phí của hoạt động và hiệu suất

của quá trình truyền năng lượng Có rất nhiều nguyên nhân trong kiểm soát tốc độ dẫn đến dao động của các bộ phát điện Họ sử dụng PSS để làm giảm dao động tần số thấp trong thời gian gần đây Vì vậy, PSS thường xử lý làm giảm chu kỳ thời gian trễ, do đó

nó có hiệu suất không phải là tốt nhất Bài báo này giới thiệu một phương pháp sử dụng tuyến tính trong máy phát điện tuabin khí, kết nối với điện lưới bằng cách quan sát ảnh hưởng dao động nội của công suất, nghiên cứu tìm thấy điểm chính của thời gian dao động Từ đó, các tác giả đưa ra quyết định để làm dự báo giảm dao động trong hệ thống

và cung cấp tín hiệu vào PSS để giảm thiệt hại của dao động này Kết quả mô phỏng giải thích hành động khác biệt của hệ thống với bộ quan sát tuyến tính và hệ thống không có bộ quan sát tuyến tính

Trong nghiên cứu này các tác giả dựa theo mô hình hóa tua bin khí của tác giả Rowen [4]

Hình 1.9: Mô hình hóa cấu trúc van nhiêu liệu theo Rowen

Hình 1.10: Mô hình hệ thống tua bin khí

PSS quan trọng đối với những nhà máy điện, nó có vai trò chính trong việc làm ổn định điện bằng cách làm giảm dao động ở đầu máy phát điện, chúng luôn xảy ra vào mỗi ngày Bởi vì kinh phí sửa chữa lớn, khoảng 10% tổng số lợi nhuận, do đó giảm việc sửa chữa sẽ làm tăng hiệu quả của nhà máy Có những nghiên cứu dự đoán dao động tần

số thấp để làm giảm dao động, nhưng nó vẫn chưa hoàn chỉnh

Hình 1.11 Cấu trúc của bộ điều khiển

Dao động tần số thấp trong máy phát điện là một vấn đề quan trọng Kinh phí sửa chữa và bảo hành mỗi năm rất lớn đối với các nhà máy điện Kinh phí sẽ giảm nếu ta giảm độ dao động từ đó tuổi thọ của máy phát điện được lâu hơn Để làm được vấn đề này, chúng ta phải làm giảm độ dốc Nghiên cứu này đã đưa ra một bội quan sát tuyến tính tốt Một số vấn đề như sau:

 Thiết kế độ rộng của cửa quan sát và mặt biên của cửa sổ

 Xác định nguyên nhân dao động tần số thấp để sắp xếp thứ tự kiểm soát trong

hệ thống Nếu chúng có nguyên nhân thì chúng ta có thể ước lượng mức độ bằng cảm biến và quá trình trong hệ thống

 Thực hiện giao tiếp bộ đệm hoàn chỉnh giữa bộ quan sát và PSS để thực hiện

bù đắp tín hiệu thích ứng

 Thực hiện sớm dự đoán để kiểm soát công suất bù vào stator của máy phát điện Hành động này để chống dao động

Hình 1.12 Sự thay đổi tốc độ khi có tải

Hình 1.13 Kết quả của bộ quan sát khi có tải

1.3.2 Các nghiên cứu nước ngoài

Ở nước ngoài các nghiên cứu về tua bin khí phổ biến hơn Có nhiều phương pháp điều khiển Tua bin khí Thông dụng nhất là sử dụng bộ điều khiển PID hoặc kết hợp với các phương pháp khác như dùng mạng nơron, mờ,…Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng phương pháp điều khiển mờ vì tính tường minh, đơn giản và dễ kiểm nghiệm kết quả để tinh chỉnh các thông số Kp, Ki, Kd trong quá trình điều khiển tốc độ của tua bin khí Điển hình như nghiên cứu của các tác giả S Balamurugan, R Joseph Xavier và A Ebenezer Jeyakumar [5] đã xây dựng bộ điều khiển tốc độ cho tua bin khí bằng việc điều chỉnh bộ điều khiển PID bằng phương pháp Nichols Ziegler và thuật toán di truyền, ngoài ra các tác giả cũng cho thấy bộ điều khiển logic mờ thay thế bộ điều khiển PID kinh điển mang lại kết quả tốt hơn Trong nghiên cứu này các tác giả sử dụng mô hình tuabin khí được xây dựng bới Rowen [1] Rowen đã thiết kế, tính toán và xác minh được các thông số của hệ thống tua bin khí bằng các phép thử và tích lũy từ các mô hình thực tế trong nhiều ứng dụng khác nhau Mô hình chuyển giao của ông đã được sử dụng

trong nhiều công trình như: mô hình tua bin khí hai trục, mô hình buồng đốt tua bin khí

…

Hình 1.14: Sơ đồ khối hệ thống tua bin khí

Kết quả của nghiên cứu:

Hình 1.15: Kết quả với bộ điều khiển PID và Fuzzy

Qua kết quả mô phỏng điều khiển trên ta thấy rằng thời gian quá độ và độ quá điều chỉnh của bộ điều khiển mờ tốt hơn so với bộ điều khiển PID bằng phương pháp Nichols Zigler và thuật toán di truyền đây là một thông số tương đối tốt, làm cho quá trình mở máy hệ thống tua bin khí an toàn Tuy nhiên trong nghiên cứu của các tác giả chưa đưa tham số nhiễu vào hệ thống để kiểm chứng

Hay như nghiên cứu của các tác giả Surti Ammar, Ruting Jia và Wenyuan [8] đã xây dựng bộ điều khiển tốc độ cho tua bin khí bằng bộ điều khiển logic mờ Trong nghiên cứu này các tác giả sử dụng mô hình tuabin khí được xây dựng bới Rowen [4]

Hình 1.16: Sơ đồ khối hệ thống tua bin khí với bộ điều khiển PID và Fuzzy

Sơ đồ khối trên cho thấy mô hình đơn giản của tuabin khí Mô hình tua bin này được điều khiển bằng bộ điều khiển PID và Fuzzy

 Gas turbine with PID control

Hình 1.17: Kết quả bộ điều PID

Hình trên cho thấy kết quả bộ điều khiển PID của mô hình tuabin khí

• Độ lọt lố trong hệ thống 0,5

• Thời gian quá độ của hệ thống khi có tải khoảng 7 giây

Hình 1.18: Kết quả bộ điều khiển tuabin khí khi có tải

Hình trên cho thấy kết quả đầu ra của bộ điều khiển PID của mô hình tuabin khí khi có tải Phản hồi này đã được tạo bằng tự động điều chỉnh chức năng trên MATLAB cho PID Bạn có thể tìm thấy những vấn đề tương tự trong hệ thống như đối với bản thân thiết kế PID điều khiển:

• Độ lọt lố trong hệ thống khoảng 0,2

• Thời gian quá độ của hệ thống khi có tải là khoảng 10 giây

Điều quan trọng bộ điều khiển PID có giá trị khoảng 400, điều này không thực tế khi thực sự thực hiện hệ thống

 Gas turbine with Fuzzy logic control

Hình 1.19: Kết quả bộ điều fuzzy

Bộ điều khiển mờ ở trên cho thấy các tập mờ và các luật tạo ra ban đầu để có được phản hồi của hệ thống Ở đây tác giả giả định rằng tải được áp dụng tại thời gian =

0 giây Các luật này được thiết kế phù hợp với giả định

Hình 1.20: Kết quả bộ điều fuzzy

Hình 1.21: Sơ đồ khối hệ thống tua bin khí với bộ điều khiển Fuzzy

Các luật của bộ điều khiển mờ trên được tạo ra với các tính năng giống nhau để

có được phản hồi hiển thị ở trên khi một tải đã được áp dụng cho hệ thống tại t = 50 giây Lưu ý rằng lỗi trong hệ thống này gần 27%, điều này không được chấp nhận trong mọi trường hợp

Mục tiêu cơ bản của bài báo này là thiết kế một mô hình tuabin khí đơn giản sử dụng thuật toán mờ để điều khiển tốc độ Từ các kết quả mô phỏng ở trên chúng ta có thể nói rằng hệ thống này ổn định khi tải khác nhau được áp dụng cho nó Ban đầu cho việc thiết kế tuabin khí với bộ điều khiển mờ, phân bố đồng đều với 5 bộ luật đã được thực hiện và mô phỏng Điều đó đã dẫn đến phản ứng kém của hệ thống với sai số trên 20% khi tải được áp dụng cho nó Sau đó, các mô hình cải tiến của kiểm soát mờ được

thiết kế và thực hiện, nhưng kết quả tốt nhất đã được tạo ra trong khi sử dụng 7 tâp mờ với một phạm vi chỉnh sửa và với các luật tự chỉnh Điều này dẫn đến lỗi 4% và ít hơn Khi mô hình tua bin khí được kết nối với máy phát điện đồng bộ, công suất phát điện 3 pha cũng hỗ trợ tải theo yêu cầu và cho kết quả mong đợi

Ngoài ra có 1 số nghiên cứu về tua bin khí kết hợp giữa PID và Fuzzy như nghiên cứu của các tác giả Azade Mansouri Mansourabad, Mohammad Taghi Hamidi Beheshti và Mohsen Simab [9] đã xây dựng bộ điều khiển tốc độ cho tua bin khí bằng

bộ điều khiển PSO_Fuzzy_PID Trong nghiên cứu này các tác giả cũng sử dụng mô hình tuabin khí được xây dựng bới Rowen [1]

Hình 1.22: Sơ đồ khối hệ thống tua bin khí

Hình 1.23: Các bộ điều khiển

Trong bài báo này trình bày hiệu suất của bộ điều khiển được thiết kế cho tua bin khí khi khởi động và vận hành Năm bộ điều khiển: PSO, Fuzzy, PID, Fuzzy_PID,

PSO_Fuzzy_PID, được thiết kế cho mô hình tuabin khí và kết quả được so sánh để đánh giá hiệu suất của từng bộ điều khiển Các kết quả mô phỏng cũng cho thấy rằng các đầu

ra của bộ điều khiển gần giống nhau trong quá trình khởi động

Bộ điều khiển PSO_Fuzzy_PID được thiết kế để kiểm soát tốc độ tuabin khí Trong mô hình được đề xuất, bộ điều khiển PID, Fuzzy và PSO hoạt động song song Trong bài báo này, 7 tập mở được lựa chọn cho mỗi biến và chức năng thành viên tam giác được áp dụng cho các biến này Trong bộ điều khiển này, có 49 quy tắc được định nghĩa để điều khiển tuabin khí trong điều kiện khởi động và vận hành Thuật toán PSO được áp dụng để tính toán các giá trị điều khiển tối ưu và các chỉ số hiệu suất được xem như là các chức năng đích để điều chỉnh chúng Trong bài báo này, hiệu suất của bộ điều khiển thiết kế được trình bày cho điều kiện khởi động và vận hành

Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển PSO_Fuzzy_PID có giá trị thời gian giải phóng nhỏ nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc độ ổn định là rất nhỏ So sánh kết quả cho thấy bộ điều khiển PSO_Fuzzy_PID hiệu quả hơn so với các bộ điều khiển khác

hệ thống nén để đẩy khí cao áp đi vào đường ống 3 để đến được tua bin, làm quay tua bin Khí xả được đưa ra đường ống 4 Tua bin quay sẽ quay trực tiếp hoặc qua hộp giảm tốc để nối với tải phía sau So với tua bin hơi, tua bin khí có hiệu suất cao hơn vì không

bị tổn thất qua thành truyền nhiệt như bao hơi của lò hơi, đồng thời nhiệt độ làm việc của tua bin khí cũng cao hơn nên độ chênh áp trong buồng làm việc của tua bin cũng lớn hơn và do không khí không bị đọng nước nên cánh tua bin ít mòn, tuổi thọ tua bin khí cao hơn so với tua bin hơi

Việc điều khiển chiều quay của tua bin được thực hiện qua van đảo chiều Trong

đó hệ thống van hai hướng sẽ được điều khiển thông qua cơ cấu thủy lực để thay đổi chiều luồng khí cao áp đi vào tua bin Kết quả làm tua bin đổi chiều quay Tuy nhiên do tốc độ quay của tua bin rất lớn nên việc đảo chiều phải được thực hiện theo đặc tính hãm qua điểm zero để giảm tối đa mômen ngược trên trục quay

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của tua bin khí

2.2 Mô hình toán học của hệ thống tua-bin khí (GT- Gas Turbine)

+ Chu trình Brayton lý tưởng

GT làm việc theo chu trình Brayton như hình 2.2 Chu trình Brayton được ứng dụng cho các hệ hở, nghĩa là khí thoát ra (Exhaust) và khí vào không có quan hệ hổi lưu

Hình 2.2: Chu trình Brayton lý tưởng

Trong đó:

Đoạn 1-2 là quá trình nén đẳng entropy S (trong máy nén)

Đoạn 2-3 là quá tình đẳng áp gia nhiệt (trong buồng đốt)

Đoạn 3-4 là quá trình giãn nở đẳng entropy S (trong GT)

Đoạn 4-1 là quá trình thoát nhiệt đẳng áp (trong ống xả khí)

Trạng thái hỗn độn của khí hoạt động được mô tả bằng đại lượng entropy S =

(2.1) Với:

Quan hệ giữa tỉ số nén và chênh lệch nhiệt độ rất chặt chẽ Thông thường , với

GT có cánh bằng kim loại thì nhiệt độ làm việc Tmax không quá 13000K Đối với GT có cánh bằng gốm thì có thể chịu nhiệt độ lên đến 16000K Do đó nếu tỉ số nén càng tăng thì biến thiên entropy S càng nhỏ như hình 6 Khi đó hiệu suất sẽ càng lớn Đối với các

GT hiện đại, hiệu suất có thể đạt đến 44%

+Chu trình Brayton thực tế

Hình 2.3: Chu kỳ Brayton thực tế

Thực tế, khi làm việc, do ma sát nhiệt, truyền nhiệt qua vách ngăn đường ống nên sẽ có tổn thất áp suất từ đầu đến cuối quá trình Do đó chu trình Brayton thực tế sẽ khác một chút so với chu trình lý tưởng Được mô tả như đường nét đứt trong hình 2.3

Tỉ số nén sẽ được điều chỉnh bằng hệ thực sau:

Với các mô tả lượng mất áp suất

+ Chu trình Brayton truyền ngược

Đây là chu trình có sự gia nhiệt khí nay sau máy nén bằng cách dùng nhiệt của khí thoát ra để quay ngược lại làm nóng luồng khí cao áp đi vào Sơ đồ truyền ngược như hình 2.4

1

2s

2a

3 4a 4s

Tổn thất áp (pressure drop)

Tổn thất áp (pressure drop)

T

s

Hình 2.4: Sơ đồ khối truyền ngược

Trong hệ thống ở hình 2.4, thay vì khí thải trực tiếp ra môi trường tự nhiên, người ta dùng đường ống thu khí và hồi lưu về lại đường khí vào ban đầu Để tránh tổn thất áp suất vào, đường khí truyền ngược được đặt trong ống riêng và truyền nhiệt ngược lại cho một kết cấu tấm thu nhiệt để đốt nóng gián tiếp luồng khí cao áp đi vào Khi đó chi trình Brayton được thể hiện như hình 12

Do có truyền ngược nên có sự thay đổi entropy ở đầu vào và cuối chu trình Brayton Đó là nhiệt lượng Qrenen Thực tế thì lượng nhiệt này không giống nhau ở hai đoạn chu trình, bởi vì có sự tổn thất nhiệt qua vách ống truyền Nhưng nhờ truyền ngược mà giảm được lượng nhiệt đầu vào QH và giảm bớt lượng nhiệt đầu ra QL Do đó hiệu suất tăng lên Hiệu suất quá trình

ŋGT = 1 - (2.6)

+ Chu trình Brayton có làm lạnh

Sơ đồ hệ thống như hình 2.5

Hình 2.5: Chu trình Brayton có làm lạnh

Trong hình 2.5, các khối có chức năng:

-Regenerator: Bộ thực hiện chức năng truyền nhiệt ngược

-Compressor 1 và 2: Hai máy nén thấp áp và cao áp

-Tua bin 1 là tua bin chính, tua bin 2 là tua bin đuôi hơi

-Intercooler: Bộ làm lạnh

-Combustion chamber: Buồng đốt trực tiếp

-Reheater: Bộ gia nhiệt thứ cấp

Cấu trúc này dùng cho các hệ GT có công suất lớn và lắp đặt cố định Trong đó, quá trình làm lạnh từ 2 qua 3 để giảm entropy nhưng vẫn giữ đẳng áp, còn quá trình gia nhiệt từ 7 đến 8 sẽ làm tăng entropy để tăng hiệu suất GT2, như vậy bằng cách này, ta

đã nới rộng được chu trình Brayton nên tỉ số hoạt động sẽ tăng lên đáng kế

Phần này đã trình bày chu trình Brayton, là chu trình hoạt động của tất cả các

GT Qua đó ta thấy được hiệu suất của các GT việc áp dụng các chu trình làm việc nào

Hiệu suất của các bước trong quá trình:

Dh = Tds + (2.7) (

Xét một cấu trúc nghiên cứu cụ thể của GT như hình 2.6

Hình 2.6: Mô hình toán học của một hệ HDGT (Heavy Duty Gas Turbine)

Để hiểu được các mô hình đã đưa ra, trong kỹ thuật nhiệt động của GT, người ta

sử dụng ba kiểu mô hình hóa hay dùng, đó là:

-Mô hình tuyến tính hóa nhiễu bé Trong mô hình này ta sử dụng phương pháp tuyến tính hóa xung quanh điển làm việc (special point) Những vị trí dao động xung quanh điểm làm việc được coi là biến thiên nhỏ và có thể xem như biến thiên tuyến tính

-Mô hình toàn phần, sử dụng các phương trình vi phân từng phần để mô tả biến thiên toàn dải như gradient Kiểu mô hình này có tính tổng quát nhưng phải bỏ qua nhiều thành phần không mô hình hóa chính xác được thì mới có thể xây dựng phương trình tổng quát

-Mô hình phần tử Trong kiểu này, ta chia hệ thống ra từng phần tử riêng như máy nén, buồng đốt, tua bin và xây dựng mô hình toán học cho các phần tử này, sau

đó kết nối chúng để tạo nên mô hình tổng quát

Trong phương pháp mô hình hóa này, động lực của cả hệ thống được chia nhỏ ra từng phần tử Do vậy ta xây dựng một số cấu trúc riêng cho các phần tử sau:

: là tỉ số áp suất toàn phần

√

:Tỉ số dòng chảy vô hướng

: tỉ số tốc độ rotor vô hướng

ŋ :hiệu suất đẳng entropy

Hình 2.7 Biểu đồ quan hệ tham số cho mô hình phần tử

Trong thực tế, các tua bin thường dùng máy nén nhiều cấp nhưng vẫn có thể áp dụng mô hình nghiên cứu này để áp dụng Hiệu suất làm việc của quá trình đẳng entropy có dạng:

ŋc = [ ] * + (2.12)

Với là tí số gia nhiệt

Đồ thị Hình 2.8 cho thấy tốc độ rotor không đổi, thì hiệu suất giảm dần khi tỉ số áp suất giảm trong khi tốc độ dòng chảy cố định Các đường chấm chấm thể hiện hiệu suất của quá trình là hằng số sẽ không theo một đường thuận nghịch mà là chu trình có tính không thuận nghịch Trong mô hình này đã bỏ qua các ảnh hưởng của dòng chảy rối và các đặc tính phi tuyến của phần tử Như vậy xét toàn hệ thống sẽ có nhưng phần tử sau:

Hình 2.8: Sơ đồ khối hệ thống tuabin khí

-Đường ống vào: inlet

Gọi Pa và Ta là áp suất và nhiệt độ ở biên của máy nén, còn P1 là áp suất tổng trên

bề mặt máy nén, T1 là nhiệt độ trên bề mặt mát nén thì với giả thiết lý tường, ta có P1 =

Pa, T1=Ta Từ đó ta có quan hệ giữa các đại lượng như sau:

P1 = Pa * +

(2.13)

T1 = Ta* + (2.14) Trong đó M là tỉ số Mach, là hiệu suất đường ống vào và là tỉ số gia nhiệt (=1,4) Hiệu suất đẳng entropy của đường ống vào có thể lên đến 95%

-Máy nén

Mô hình tiếp theo là máy nén Giả thiết hệ thống chỉ dùng một náy nén duy nhất ở sau đường ống vào Mô hình được xây dựng trên một số tham số kinh điển:

N: tốc độ rotor

P1: áp suất đường ống vào

T1: nhiệt độ đường ống vào

P2: áp suất cửa xả máy nén

Gọi w√ / là lượng khí vào, ŋc là hiệu suất máy nén, ta sẽ có:

w1 : Dòng khí vào máy nén

w3 : Dòng khí vào tuabin

T2: Nhiệt độ phân phối trong máy nén

WFe: tỉ lệ lượng nhiên liệu động cơ

Ta có phương trình biểu diễn quan hệ như sau:

=