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

Hiện tại các nhà máy xi măng trên thế giới ñã ñưa vào sử dụng hệ thống sử dụng nhiệt dư ñể phát ñiện, trong nước ñã có một số nhà máy ñưa vào khai thác như: Nhà máy xi măng Hà Tiên 2, nh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

HOÀNG TIẾN PHƯỢNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN

TURBINE HƠI TRONG DỰ ÁN TẬN DỤNG NHIỆT DƯ

TẠI NHÀ MÁY XI MĂNG SÔNG GIANH

Chuyên ngành: SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG

Mã số: 60.52.60

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2011

Công trình ñược hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN XUÂN TÙY

Phản biện 1: PGS.TS Phạm Đăng Phước

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Yến

Luận văn ñã ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 05 tháng 12 năm 2011

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

3

- 3 -

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Việt Nam hiện nay ñang là nước ñứng ñầu Asian về sản xuất

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

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

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

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

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

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

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

hưởng ñến sản lượng sản xuất và tiêu thụ của nhà máy Đứng trước

những thách thức lớn ñó, việc tận dụng nhiệt dư thừa trong lò xi

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

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

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

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

ngành xi măng phải tự lo Do ñó, việc nghiên cứu, tính toán, thiết kế,

ñầu tư xây dựng dự án tận dụng nhiệt dư thừa của lò xi măng ñể phát

ñiện là việc làm bắt buộc ñối với nhà máy xi măng COSEVCO Sông

Gianh Các tính toán ñã chỉ ra, khi lắp ñặt hệ thống này trong nhà

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

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

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

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

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

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

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

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

4

- 4 -

phát…Đề tài “Nghiên cứu thiết kế mô hình ñiều khiển turbine hơi trong dự án tận dụng nhiệt dư tại nhà máy xi măng Sông Gianh” là bước nghiên cứu ban ñầu ñể lập dự án cũng như nắm bắt sơ ñồ công nghệ, làm chủ hệ thống khi ñầu tư vào sản xuất

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý luận tổng quan, phương pháp thiết kế, xây dựng bộ ñiều tốc turbine hơi trên cơ sở ñó ứng dụng cho dự án thu hồi nhiệt khí thải ñể phát ñiện phục vụ cho nhà máy xi măng COSEVCO Sông Gianh

3 PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

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

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

- Xây dựng sơ ñồ công nghệ của hệ thống

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

ñộ turbine hơi

- Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên máy tính

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Tính toán lý thuyết và mô phỏng hệ thống trên máy tính

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN

-Thiết lập mô hình ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi ứng dụng cho dự án thu hồi nhiệt khí thải ñể phát ñiện tại nhà máy xi măng

COSEVCO Sông Gianh

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

- Xây dựng mô hình ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi

- Tối ưu hóa hệ thống ñiều khiển turbine hơi

- Mụ phỏng hệ thống thu hồi nhiệt trờn mỏy tớnh phục vụ chụ

cụng tỏc ủào tạo trước khi ủưa dõy chuyền vào sử dụng

7 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Ngoài phần mở ủầu, kết luận và khả năng ứng dụng của ủề

tài, danh mục tài liệu tham khảo và cỏc phụ lục, nội dung chớnh của

luận văn ủược chia thành 4 chương như sau:

Chương 1: Tổng quan

Giới thiệu cỏc nguồn nhiệt dư thải ra mụi trường của cỏc nhà

mỏy xi măng hiện nay Dựa vào những ủặc tớnh cụng nghệ ủể xõy

dựng lờn mụ hỡnh thu hồi nhiệt làm mỏy phỏt ủiện phục vụ cho nguồn

ủiện sẽ thiếu hụt của nhà mỏy trong tương lai

Chương 2: Cỏc thiết bị chớnh trong dõy chuyền thu hồi nhiệt dư

Giới thiệu một số thiết bị chớnh trong dõy chuyền Nguyờn lý làm

việc của cỏc thiết bị và chu trỡnh nhiệt húa hơi

Chương 3: Thiết kế mụ hỡnh ủiều khiển tốc ủộ của turbine hơi

Trong phần này giới thiệu về mụ hỡnh toỏn học ủiều khiển

tốc ủộ turbine hơi, xõy dựng mụ hỡnh ủiều khiển tốc ủộ turbine bằng

thuật toỏn PID cổ ủiển từ ủú chỉnh ủịnh cỏc tham số của bộ ủiều

khiển PID bằng bộ ủiều khiển fuzzy mờ

Chương 4: Mụ phỏng hệ thống bằng WINCC phục vụ cho cụng tỏc

ủào tạo

Mụ phỏng quỏ trỡnh thu hồi nhiệt bằng wincc, quỏ trỡnh thiết

kế và giới thiệu chức năng của cỏc thiết bị trờn mụ hỡnh ủiều khiển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 CÁC NGUỒN NHIỆT DƯ TẠI CÁC NHÀ MÁY SẢN XUẤT XI MĂNG

1.1.1 Nhiệt dư thải ra mụi trường của nhà mỏy xi măng Sụng Gianh

1.1.2 Nhiệt dư thải ra mụi trường sau thỏp trao ủổi nhiệt 1.1.3 Nhiệt dư thải ra mụi trường sau giàn làm lạnh clanhke 1.2 VẤN ĐỀ THIẾU HỤT NĂNG LƯỢNG, ễ NHIỂM MễI TRƯỜNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG XỬ Lí

1.3 CễNG NGHỆ PHÁT ĐIỆN TẬN DỤNG NHIỆT DƯ NHIỆT ĐỘ THẤP THẾ HỆ THỨ NHẤT CHO Lề QUAY XI MĂNG TRấN THẾ GIỚI

1.3.1 Định nghĩa và ủặc ủiểm cơ bản

1.3.1.1 Định nghĩa

T háp trao đổi nhiệt

Lò nung

K hí thải T =300-350 C

o

K hí thải T =80-100 C

Lọc bụi

Q ụat ID

G iàn làm lạnh

H ệ thống van điều chỉnh

Hỡnh 1.1 Sơ ủồ khớ thải ra mụi trường của nhà mỏy sản xuất xi măng

7

- 7 -

1.3.1.2 Đặc ñiểm cơ bản

1.3.2 Các ñiểm trọng yếu của công nghệ và cấu trúc hệ thống

nhiệt ñộng

1.3.2.1 Các ñiểm trọng yếu của công nghệ

1.3.2.2 Cấu trúc hệ thống nhiệt ñộng

Lß nung Giµn lµm l¹nh

o T=80-100 C Läc bôi

Nåi h¬i AQC

M¸y ph¸t ®iÖn

Nåi h¬i SP o T=190-220 C Läc bôi Qôat ID

o T=500-550 C

HÖ thèng khö Oxi cÊp nuíc cho nåi h¬i

Tua bin h¬i nuíc

o H¬i nuíc T=330-435 C

HÖ thèng van ®iÒu chØnh KhÝ th¶i T=300-350 C o

ThiÕt bÞ ngung tô

Hình 1.3 Mô hình thu hồi nhiệt kiểu không bù hơi ñơn áp

H¬i nuíc T=330-435 C

Giµn lµm l¹nh

Lß nung

o

Nåi h¬i AQC

T=80-100 C Läc bôi

o o

T=500-550 C Läc bôi Qôat ID T=190-220 C Nåi h¬i SP

HÖ thèng van ®iÒu chØnh

o

KhÝ th¶i T=300-350 C

HÖ thèng khö Oxi cÊp nuíc cho nåi h¬i H¬i nuíc

o

M¸y ph¸t

®iÖn Tua bin h¬i nuíc

ThiÕt bÞ ngung tô

Hình 1.4 Mô hình kiểu bù hơi sử dụng hơi thứ cấp hồi lưu

8

- 8 -

1.3.3 Các ñặc trưng của công nghệ 1.4 CÔNG NGHỆ PHÁT ĐIỆN TẬN DỤNG NHIỆT DƯ NHIỆT ĐỘ THẤP CHO LÒ QUAY XI MĂNG THẾ HỆ THỨ HAI TRÊN THẾ GIỚI

1.4.1 Định nghĩa và ñặc trưng

1.4.1.1 Định nghĩa

Là công nghệ chuyển ñổi nhiệt dư sinh ra từ khí thải từ hệ thống tiền trao ñổi nhiệt và phần làm mát clinker của lò quay xi măng kiểu mới (ở ñây gọi là lò quay ngắn) thành ñiện, tua bin sử dụng hơi

áp suất 1,27 - 3,43 MPa, nhiệt ñộ 340 - 4350C, việc phát ñiện không làm ảnh hưởng tới công suất, chất lượng clinker, không hạ thấp hiệu suất hoạt ñộng của lò, không phải thay ñổi thiết bị và quá trình công nghệ sản xuất xi măng, không tăng suất tiêu hao ñiện và nhiệt của sản xuất clinker

1.4.1.2 Đặc trưng

Công nghệ phát ñiện tận dụng nhiệt dư nhiệt ñộ thấp thế hệ thứ hai cho lò quay xi măng có hai hoặc nhiều ñặc ñiểm cơ bản ngoài

HÖ thèng khö Oxi cÊp nuíc cho nåi h¬i Giµn lµm l¹nh

Nåi h¬i AQC

T=80-100 C T=500-550 C

KhÝ th¶i T=300-350 C

Lß nung

o

o

o

ThiÕt bÞ

ng u ng tô

M¸y ph¸t

®iÖn Tua bin h¬i nuíc

H¬i nuíc T=330-435 C

Läc bôi T=190-220 C Nåi h¬i SP

HÖ thèng van ®iÒu chØnh o

Qôat ID

Hình 1.5 Mô hình tận dụng nhiệt dư bù hơi ña áp

ñịnh nghĩa trên như sau :

- Tại sàn làm nguội có hai ñiểm rút khí thải nhiệt dư và kết

quả là công suất phát lớn hơn

- Một nồi hơi quá nhiệt là ñược ñặt gần nồi hơi AQC, với giải

pháp này nhiệt ñộ của hơi sơ cấp sẽ ñược ñiều chỉnh nhưng không bị

ảnh hưởng bởi nhiệt ñộ khí ra từ lò quay

- Một nồi hơi quá nhiệt ñộc lập sẽ ñược ñặt trong C1 (Tầng

cuối cùng của hệ thống tiền trao ñổi nhiệt) ñể tăng thêm hiệu suất

vận hành, tính ổn ñịnh của nhà máy ñiện

- Hệ thống nước cấp cho nồi hơi AQC và SP là song song

không ảnh hưởng lẫn nhau và hoàn toàn ñộc lập

- Hệ thống khử ôxy của nước cấp nồi hơi sử dụng nhiệt dư

nhiệt ñộ thấp dưới 1450C, không cần tiêu hao hóa chất và năng lượng

ñiện ngoài

`- Có một bộ ñiều chỉnh lắp tại ñầu ra của nồi hơi SP ñể ñiều

chỉnh nhiệt ñộ khí ñầu ra ñể thỏa mãn các yêu cầu sấy khác nhau trong

các ñiều kiện ñộ ẩm môi trường khác nhau tại các mùa khác nhau

- Khí làm mát từ sàn làm nguội sẽ ñược tuần hoàn

1.4.2 Các ñiểm trọng yếu của công nghệ

1.4.3 Đặc trưng của công nghệ

1.5 NHẬN XÉT

Trong chương này, giới thiệu các nguồn nhiệt thải ra môi

trường của các nhà máy xi măng trên thế giới nói chung và xi măng

Sông Gianh nói riêng Vấn ñề thiếu hụt năng lượng và ô nhiểm môi

trường mà các nhà máy ñang gặp phải Giới thiệu sự phát triển của hệ

thống thu hồi nhiệt thế hệ thứ nhất và thế hệ thứ hai cho lò quay xi

măng, các hệ thống thu hồi nhiệt trên thế giới ñã ñược áp dụng Phân

tích ưu nhược ñiểm của từng mô hình thu hồi nhiệt và các ñiểm trọng

yếu của công nghệ thu hồi nhiệt dư nhiệt ñộ thấp lò quay xi măng

CHƯƠNG 2 CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG DÂY CHUYỀN THU HỒI

NHIỆT DƯ 2.1 NỒI HƠI

2.1.1 Khái niệm cơ bản 2.1.2 Các loại nồi hơi 2.2 TURBINE HƠI 2.2.1 Lịch sử phát triển 2.2.2 Khái niệm

2.2.3 Phân loại 2.2.4 Cách nâng cao hiệu suất của chu trình 2.3 DÒNG CHẢY TRONG CÁC LOẠI ỐNG 2.3.1 Dòng chảy trong ống phun lý tưởng 2.3.2 Ống tăng tốc

2.4 NHẬN XÉT

Trong chương này giới thiệu các thiết bị chính trong dây chuyền hệ thống tận dụng nhiệt dư của nhà máy xi măng Một số vấn

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

11

- 11 -

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ

CỦA TURBINE HƠI 3.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU CHỈNH TURBINE HƠI

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

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

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

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

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

Mômen quay của roto turbine do công của dòng hơi sinh ra,

còn mômen cản của máy phát do phụ tải ñiện sinh ra trên các cực

của máy phát

Công suất của turbine ñược tính theo công thức:

Ni = GHi , [kw] (3.1) Hoặc Ni = GH0ηtd

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

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

trong tương ñối của turbine

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

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

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

Nhd = Nd + Ntt + (Jt + Jmf) d

dτ

Ω

Ω (3.2)

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

máy phát,

Nhd là công suất hiệu dụng trên khớp trục turbine,

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

vào phụ tải tiêu thụ bên ngoài)

12

- 12 -

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

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

phải luôn luôn cân bằng với công Nhd trên trục turbine Nghĩa là sự thay ñổi phụ tải trên các cực của máy phát phải phù hợp với sự thay ñổi công suất trên trục turbine Mỗi giá trị phụ tải xác ñịnh trên cực của máy phát tương ứng với một giá trị mô men quay trên trục của turbine, nghĩa là tương ứng với một lưu lương hơi qua turbine Khi phụ tải thay ñổi sẽ tạo ra sự mất cân bằng giữa mô men cản và mô men quay, do ñó dẫn ñến số vòng quay của rô to thay ñổi

Khi ñang ở trạng thái cân bằng, nếu phụ tải Nd của máy phát thay ñổi trong khi mô men quay của turbine chưa thay ñổi (tức Nhd

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

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

sẽ thay ñổi

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

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

của turbine lên tương ứng Tóm lại bất kỳ một sự thay ñổi nào của phụ tải ñiện cũng sẽ kéo theo sự thay ñổi số vòng quay của turbine (tốc ñộ quay của rô to turbine - máy phát) Số vòng quay sẽ thay ñổi ñến chừng nào mà cơ cấu phân phối hơi chưa làm thay ñổi lưu lượng hơi vào turbine, nghĩa là chưa thiết lập ñược sự cân bằng mới giữa

mô men cản của phụ tải ñiện và mô men quay, tức là giữa công suất của turbine và công suất của máy phát

Việc phục hồi lại sự cân bằng của phương trình (3.2) với bất

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

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

liên ñộng với cơ cấu tự ñộng ñiều chỉnh van phân phối hơi của

turbine ñể ñiều chỉnh lượng hơi vào turbine phù hợp với phụ tải ñiện

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

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

phụ tải ñiện

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

hệ thống ñiều chỉnh của turbine

3.2 MÔ HÌNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC TURBINE HƠI

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

lượng hơi ñi vào turbine thông qua việc ñiều khiển van ñiện - thuỷ

lực Hệ thống ñiều tốc là một vòng lặp kín, bất cứ sự sai lệch tốc ñộ,

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

ñiều khiển lưu lượng hơi

Trong hình 3.1 là sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển tốc ñộ của turbine

– máy phát Trong ñó: m – khối lượng cánh van ñiều khiển lưu lượng

hơi; A – diện tích của piston; P – áp suất buồng trong buồng của

xylanh; PS – áp suất vào của van; Q – lưu lượng vào của xylanh; KA –

hệ số khuếch ñại của bộ khuếch ñại; KC – hệ số khuếch ñại của khâu

phản hồi cảm biến vị trí; I – dòng ñiện ñiều khiển van servo; e – ñiện

áp ñiều khiển; x – hành trình của cánh van có khối lượng m; n – số

vòng quay của trục turbine; Ω - vận tốc góc của trục turbine; Mmp –

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

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

Từ sơ ñồ khối chức năng hình 3.2 ta thiết lập ñược sơ ñồ khối như hình 3.3

PI

D

Van servo +xylanh

Van khí

Turbine -máy phát

Cảm biến

vị trí

Tốc kế

KA

e

E2

-+

-Hình 3.2 Sơ ñồ khối chức năng của hệ thống ñiều khiển tốc ñộ

turbine

M¸y ph¸t ®iÖn

Bé ®iÒu khiÓn PID

P S

Van servo

i

I u

K A

+

D

F1

P

- F2

Qh Tèc kÕ P

Pist«ng

x

n

Mmp

Qt Turbine h¬i Van tiÕt luu

Khíp nèi

I U,

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

15

- 15 -

Trong ñó : WPID((s) – Hàm truyền của bộ ñiều khiển PID;

G1(s) – hàm truyền của cụm van servo – xylanh ñiều khiển van hơi;

G2(s) – hàm truyền của cụm turbine – máy phát; KQ – hệ số quan hệ

lưu lượng khí và hành trình ñóng mở van hơi

W(s) = G1(s).KQ.G2(s) (3.3)

3.2.1 Cụm van servo - xylanh ñiều khiển van hơi

Mô hình nghiên cứu ñược thiết lập như hình 3.4 ñây là một

hệ thống tự ñộng thủy lực chuyển ñộng tịnh tiến ñiều khiển bằng cụm

servo – xylanh

KΩ

Qt(s)

x(s)

u(s)

E2(s)

e(s)

F2(s)

-

+

WPID(s)

KΩ

F2(s)

-

+

W(s)

Hình 3.3 Sơ ñồ khối biến ñổi hàm truyền

Ω(s)/e(s)

16

- 16 -

P

P S

V an servo

Q

u +

E 1 i

K A

F 1 _ (K c)

P ist« ng A

x

C ¸ nh van m

Ta có các phương trình (3.4) và (3.5)

0

V

dx

dt

= − = (3.4)

2 2

A p m

dt

= ; E1.KA=I (3.5) Phương trình Laplace của (3.4) và (3.5) sẽ là :

Q(s) = KV.i(s)-K0.p(s) = A.s.x(s) A.p(s) = m.s2.x(s) (3.6)

E1(s).KA = i(s)

-

+

Bộ khếch ñại KA

Van servo KV

Cụm pittông

Và van hơi

Cảm biến vị trí

Hình 3.4 Sơ ñồ mạch ñiều khiển cụm van servo – xylanh ñiều

khiển van hơi

(3.7)

3.2.2 Cụm turbine – máy phát

Mô hình nghiên cứu ñược thiết lập như hình 3.7

Phươngtrìnhlưulượng: 0 h

dp

dt

= Ω + + (3.11) Phương trình mô men :p D h t =M ms +M qt +M mp

f t J t d I K mp

dt

Ω

2 0

A V

A K K

S A +K m S

K C

u(s) +

-

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

U , I

f

x

Qh

(K c)

Ph

m Q t Turbine h¬i

M m p

n

M ¸y ph¸t ®iÖn

K híp nèi

V an tiÕt luu

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

0

( )

( )

A V

A V C

A K K

x s

G s

u s K m s A s A K K K

Trong ñó : Dt – thể tích của khối turbine

Dt

0

– thể tích trên 1 rad, 0

2

t t

D D

π

=

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

ft – hệ số ma sát trên trục của turbine và máy phát

Kmp – hệ số tỷ lệ mô men của máy phát

Ω = 2π.n

R – hệ số tổn thất hơi

0

t

D C B

= - hệ số ñàn hồi của hơi trong turbine

B – Mô ñun ñàn hồi của hơi Nếu chuyển qua laplace thì các phương trình (3.11) và (3.12) thành các phương trình (3.13) và (3.14) như sau :

Qh(s) = Dt

0

.Ω(s)+(R+C.s).ph(s) (3.13)

Dt.ph(s) = (Jt.S+ft).Ω(s)+Mmp(s) (3.14)

Từ sơ ñồ khối hình 3.8 ta có hàm truyền (3.15) cụm turbine – máy phát

(3.15)

Ω(s)

Q h (s) +

-

( )( )

t

D

R+C S J S+ f

0

t D

Hình 3.8 Sơ ñồ khối của cụm turbine – máy

phát

( ) ( ) ( ) ( )( )

t

D s

G s

Q s R C s J s f D D

Ω

19

- 19 -

Vậy ta có hàm truyền W(s) của bộ ñiều tốc turbine là:

W(s)=G1(s).KQ.G2(s)=

= (3.17)

Trong ñó : Ks = KxKtKQ

3.2.3 Xấp xỉ hàm truyền của quá trình ñiều tốc

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

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

ñiều khiển tốc ñộ turbine

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

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

phương trình như (3.18)

1

3

( )

( )

x s

G s

+ + (3.18)

Với: 1 A V

G

K K K

A

= ; 3 K K K A V C

A

Từ phương trình (3.15) ta phân tích như phương trình (3.19)

( )

G s

T s T s s α s α

+ + + + (3.19)

Với: 1

1

T

α α

1

α α

Thay (3.18) và (3.19) vào (3.3) ta có:

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

s+α s+α s+α = s+α s+α s+α (3.20)

x t Q

K K K

s s T s T s

s K

Ts T T s T T s T s

τ +τ +τ +τ + + +τ +

20

- 20 -

Theo K Gowrishankar, Vasanth Elancheralathan Rajiv Gandhi College Of Engg & tech., Puducherry, India Với: KW = 1; α3=0; α2=1; α1=5 thì (3.20) sẽ là:

1 W( )

( 1)( 5)

s

s s s

= + + (3.21)

3.3.THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

3.3.1 Giới thiệu 3.3.2 Tối ưu hoá bộ ñiều khiển PID

3.3.2.1 Phương pháp thứ nhất 3.3.2.2 Phương pháp thứ hai

Bộ ñiều khiển PID ñiều chỉnh theo phương pháp thứ hai của Ziegler-Nichols cho quy tắc

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

Ta có sơ ñồ khối bộ ñiều khiển PID cho tốc ñộ turbine như hình 3.15

Khi cho Ti = ∞ và Td = 0, KΩ=1, ta nhận ñược hàm truyền thu gọn như sau :

Hình 3.15 Bộ ñiều khiển PID ñiều khiển tốc ñộ turbine

Ω(s)

PID (s)

E2(s)

+

-

1

G (s)

KΩ