Luận văn Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển Turbine hơi trong dự án tận dụng nhiệt dư tại nhà máy xi măng Sông Gianh

uyên lý này tức là trong tuabin quá trình bành trương hơi chỉ xảy ra trong dãy cánh tĩnh được gọi là tuabib xung lực. Vào năm 1884 kỹ sư người Anh Chalé Parsons đã chể tạo ra tuabin nhiều tầng. Mỗi tầng gồm một dãy ống phun và một dãy cánh động , trong đò hơi bành trướng từ tầng này tới tầng khác. Tuabin loại này hơi không chỉ bành trướng trong dãy cánh động mà còn bành trướng trong dãy cánh tĩnh gọi là tuabin phản lực. Năm 1912 tuabin hướng trục đầu tiên do hai anh em người Thụy Điển chế tạo. Vào thế kỷ XIX nghành chế tạo tuabin phát triển với nhịp độ cao: 1924 người ta chế tạo ra tuabin ngưng hơi với công suất 200MW và thông số hơi ban đầu 1,1MPa, 300oC. Năm 1928 sản xuất được tuabin 200MW, 12,8Mpa, 565oC. Vào thập niên 70-80 cho ra đời loại tuabin sử dụng trong nhà máy điện nguyên tử với công suất 70MW, 225MW, 500MW, 1030 MW, với tần số 25 vòng.s-1, 50 vòng.s-1 Trong nền công nghiệp hóa hiện đại hóa hiện nay nhu cầu sử dụng năng lượng ngày một quan trọng và không thể thiếu trong cuộc sống cũng như trong quá trình sản xuất. Trong những năm gần đây, các nhà máy thủy điện ở nước ta đã và đang được phát triển một cách nhanh chóng như: nhiệt điện Phả Lại II, Uông Bí, Phú Mỹ… Nước ta hiện nay các khu công nghiệp đang phát triển mạnh và nhằm phục vụ cho đời sống nhân dân ngày càng tốt hơn. Vì thế nươc ta đang phát triển nhiều nhà máy nhiệt điện có công suất ngày càng lớn hơn,công nghệ ngày càng tiên tiến hơn. 2.2.2. Khái niệm Tuabin hơi nước hay còn gọi là động cơ hơi nước, trong đó thế năng của hơi ban đầu sẽ chuyển hóa thành động năng, sau đó chuyển thành cơ năng làm quay bánh công tác. Hình 2.4. Mặt cắt của turbine hơi Turbine áp suất cao Hơi vào Turbine áp suất trung bình Dòng hơi Dòng hơi Hơi thoát ra + Cấu tạo Turbine áp suất thấp Đây là một tua bin trục ngang. - Bộ phận chính: Cánh dẫn hướng, làm bằng thép không rỉ, là một kết cấu có hai trụ đỡ. Nắp cột áp và vòng đai, đáy có vỏ bằng thép ZG230-450. Bộ phân phối có cấu trúc lá trượt đơn giản, để tiện lắp đặt và đại tu. Có các chốt trượt bảo vệ giữa thanh chắn dòng và thanh chắn dòng tự động. - Bộ phận quay Rôto được lắp đặt trên phần mở rộng của trục bộ phận điều chỉnh với chêm, và côn rôto. Vỏ rôto làm bằng thép không gỉ, chống xâm thực tốt và có đặc tính mài mòn. - Bộ ống hút Bộ ống hút gồm có một thiết bị nạp khí, một ống khuỷu, và một ống hình nón. Thiết bị nạp khí được lắp giữa vòng đai đáy và ống khuỷu. Để giảm độ rung thuỷ lực và ảnh hưởng đến khí xâm thực, cần phải có thiết bị nạp khí và khí bổ sung tự nhiên ở ngoài vùng định danh của thiết bị. Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý đơn giản nhất của turbine hơi + Nguyên lý hoạt động 1. Bình khử khí; 2. Bơm nước cấp; 3. Bình gia nhiệt cao áp; 4. Lò hơi; 5. Bộ quá nhiệt; 6. Turbine hơi nước; 7. Máy phát điện; 8. Bình ngưng; 9. Bơm nước ngưng; 10. Bình gia nhiệt hạ áp. 2.2.3. Phân loại Tuỳ thuộc vào tính chất của quá trình nhiệt có thể phân biệt các loại tua bin hơi nước chủ yếu như sau: Theo tầng số công tác: - Tuabin một tầng (Single- stage turbines). Công suất đạt nhỏ. Thường dùng để cho máy nén ly tâm, bơm, quạt… - Tuabin nhiều tầng (Multistage turbines). Có nhiều tầng công tác (xung lực hay phản lực) nối tiếp nhau, công suất lớn. Theo hướng chuyển động của dòng hơi - Tuabin dọc trục (Axial turbines ). Dòng hơi chuyển gần như song song với trục. - Tuabin hướng kính (Radial turbines). Dòng có hướng vuông góc với trục, có thể là ly tâm hay hướng tâm . Theo nguyên lý tác dụng của dòng hơi - Tuabin xung lực (Impulse turbines). Hơi nước chỉ giản nở để tăng tốc trong ống phun hay trong rãnh cánh tĩnh, nhiệt năng của hơi chuyển thành động năng của dòng, trong dãy cánh tĩnh chỉ xảy ra sự biến đổi động năng thành cơ năng. Ngày nay người ta chế tạo tầng xing lực có độ phản lực nhất định để tăng hiệu suất của nó. - Tuabin phản lực (Reaction turbines). Sự giản nở của hơi nước xảy ra trong rảnh cánh tĩnh và rãnh cánh động với mức gần như nhau. Theo đặc điểm của quá trình nhiệt - Tuabin ngưng hơi: Trong đó toàn bộ lưu lượng hơi mới, lưu lượng hơi trích gia nhiệt, đều đi qua phần chuyền hơi, bành trướng đến áp suất bé hơn áp suất khí quyển, rồi vào bình ngưng. Trong đó nhiệt của hơi thoát ra truyền cho nước làm mát và mất đi một cách vô ích. Dùng để kéo máy phát điện và sản xuất điện năng. Hiệu suất nhiệt tương đối thấp. - Tuabin đối áp: Trong loại tua bin này hơi bành trướng tới áp suất dưới áp suất khí quyển, còn nhiệt của nước làm mát bình ngưng thì được dùng cho các nhu cầu sinh hoạt, cho ngành nông nghiệp,… Trong loại tuabin này, áp suất hơi sau tấng cuối cũng thường lớn hơn áp suất khí quyển. - Tuabin ngưng hơi có trích hơi điều chỉnh: Loại tuabin này ngoài việc trích hơi gia nhiệt hồi nhiệt (không điều chỉnh) còn bố trí một hoặc hai cửa trích hơi có điều chỉnh áp suất theo nhu cầu để dùng cho mục đích công nghệ và sưởi ấm. Hơi trích được điều chỉnh có lưu lượng lớn hơn so với loại chỉ có trích hơi gia nhiệt và không phụ thuộc vào phụ tải của tuabin, còn áp suất trong cửa trích hơi thì giữ không đổi. Lưu lượng hơi còn lại sẽ đi vào phần hạ áp rồi thoát về bình ngưng hơi. Hiệu suất tại gian máy có thể đạt tới 42 – 45 %.Tuabin hơi có trích hơi điều chỉnh rất phù hợp với việc phối hợp sản suất điện năng và nhiệt năng. Hình 2.6. Sơ đồ của turbine ngưng hơi có trích hơi điều chỉnh Hơi mới Xupap hơi Bình ngưng hơi Bơm Máy phát điện Bình gia nhiệt Hộ dùng nhiệt Trích hơi hồi nhiệt Rút hơi hồi nhiệt Xupap điều chỉnh Turbine cao áp Turbine hạ áp - Tuabin ngưng hơi có cữa trích điều chỉnh trung gian: Trong tuabin này hơi trích từ tầng trung gian được dẫn về hộp tiêu thụ nhiệt, lượng hơi còn lại tiếp tục làm việc trong các tầng khác và đi vào bình ngưng. Áp suất hơi trích được tự động duy trí ở mức không đổi. - Tuabin có cửa trích hơi điều chỉnh và đối áp: Để phục vụ các hộ tiêu thụ nhiệt có nhu cầu với áp suất khác nhau, có thể dùng tuabin có cửa trích hơi điều chỉnh và đối áp, trong đó một phần hơi với áp suất không đổi được trích từ tầng trung gian. Phần hơi còn lại, sau khi đi qua các tầng tiếp theo sẽ dẫn về hộ tiêu thụ nhiệt với áp suất thấp hơn. Tuỳ thuộc vào áp suất của hơi dẫn vào tuabin mà chia ra: - Tuabin thấp áp, với áp suất hơi mới từ 1,2 đến 2 bar. - Tuabin trung áp, với ap suất hơi mới không quá 40 bar. - Tuabin cao áp với áp suất hơi mới từ 60 đến 140 bar. - Tuabin trên cao áp, vói áp suất trên 140 bar. 2.2.4. Cách nâng cao hiệu suất của chu trình - Hiệu suất của chu trình h=W/p = 1-(q2/q1) (2.1) Trong đó: W: Công sinh ra của chu trình, kJ/kg. q1: Nhiệt lượng cấp vào chu trình, kJ/kg . Q2: Nhiệt lượng thải ra, kJ/kg. Công sinh ra của tuabin Wt =i1-i2, kJ/kg. (2.2) Công tiêu hao của trong quá trình nén của bơm WP: WP=i3, - i3 = v*(p3, -p3) = v*(p1-p3 ) (2.3) Công sinh ra của chu trình W W=Wt-Wp =i1-i2-(i3-i3) (2.4) Nhiệt lượng cấp vào của chu trình h=W/q1=(i1-i2)/(i1-i3) (2.5) Suất tiêu hao hơi d là lượng hơi cần thiết để sản xuất ra 1kWh điện năng: d=3600/(i1-i2),kg/kW (2.6) Nếu tuabin hơi có công suất là N, Kw thì lượng hơi tiêu thụ sẽ là D=N*d,kg/h lượng hơi D này chính là hơi phải cung cấp. - Cách nâng cao hiệu suất Thay chu trình Rankin bằng chu trình Cacno tương ứng để thấy rõ hơn khi thay nhiệt độ thay đổi T trên đoạn cấp nhiệt bằng nhiệt độ tương đương không đổi Ttd: ht =hc =(Ttd –Tk) / Tt (2.7) Với nhiệt độ hơi thoát Tk và nhiệt độ hơi nước T0 =const, nếu tăng áp suất ban đầu p0 thì nhiệt độ hơi bảo hoà tăng, Td tăng đến Ttd1. Theo (2.7) thì ht tăng. Nhiệt giáng lý thuyết của tuabin H0 sẽ tăng với p0 cho đến lúc đường tiep1 tuyến ab với đường đẳng nhiệt t0=const song song đoạn đẳng áp pk =const. Nếu tiếp tục tăng p0 nhiệt giáng sẽ bắt đầu giảm. Khi nâng áp suất ban đầu p0 với t0 đã cho và áp suất cuối pk =const thì làm tăng độ ẩm cuối. Sẽ giảm hiệu suất tương đối hoi của tuabin làm cho quạt bị mòn, độ ẩm <= 14%. Cho nên khi năng suất ban đầu cũng cần tăng nhiệt độ ban đầu hay là áp dụng qua nhiệt trung gian. Khi tăng áp suất mới thì cũng phải nâng cao nhiệt độ hơi mới. Trên giản đồ T-S khi tăng nhiệt độ hơi ban đầu từ T0 đến T01 sẽ làm tăng nhiệt độ cấp nhiệt trung bình từ Ttk đến Ttk1. Khi Tk=const tương ứng ht tăng. - Ảnh hưởng của áp suất cuối Nếu giảm áp suất hơi thoát khi các thông số ban đầu p0 và t0 =const sẽ làm nhiệt độ ngưng tụ của hơi, tức Tk. T td sẽ giảm không đàng kể. Cho nên khi giảm pk thì tăng hiệu nhiệt độ trung bình của nhiệt cấp và thải ra, tăng nhiệt giáng lý thuyết và tăng ht của chu trình. => Nâng cao hiệu suất: - Nâng cao hiệu suất thông qua hơi mới: Với nhiệt độ hơi thoát Tk và nhiệt độ hơi mới To không đổi, nếu tăng áp suất hơi ban đầu po thì nhiệt độ hơi bão hoà sẽ tăng, do đó nhiệt độ tương đương cấp nhiệt sẽ tăng từ Tdh đến Ttd1 (hình1). Theo công thức sau thì hiệu xuất của chu trình sẽ tăng lên. T S Hình 2.7. So sánh các chu trình lý tưởng với áp suất ban đầu khác nhau trên giản đồ t – s. Nhưng càng tăng áp xuất ban đầu nhiệt độ tương đương của chu trìnhTtd lúc đầu tăng, sau đó, do tăng phần nhiệt dùng để đun nước tới nhiệt độ bão hoà, nhịp độ tăng ấy chậm dần, và nếu tiếp tục tăng áp suất lên nữa thì sẽ làm giảm Ttd và hiệu quả kinh tế của chu trình. Nhiệt giáng lý thuyết của tuabin Ho sẽ cùng tăng với po cho đến lúc đường tiếp tuyến ab với đường đẳng nhiệt (trên giản đồ i-s) to=const song song với đoạn đẳng áp Pk =const hình 2.8. Nếu tiếp tục tăng po nữa thì nhiệt giáng sẽ bắt đầu giảm hình 2.7. Từ giản đồ i-s hình 2.7. rõ ràng là entanpi io của hơi mới với to = const điều đó cũng lý giải được tại sao đạt hiệu suất ho cực đại khi có áp suất hơi po cao hơn so với lúc có nhiệt giáng cực đại Ho. Khi nâng áp suất ban đầu po với nhiệt độ to đã cho và áp suất cuối pk không đổi thì sẽ làm tăng độ ẩm cuối của hơi. Như vậy sẽ làm giảm hiệu suất trong tương đối moi của tuốc bin, làm cho cánh quạt bị mài mòn. Độ ẩm cuối không được vượt quá 14%. Cho nên khi tăng áp suất ban đầu cũng cần tăng nhiệt độ ban đầu hay là áp dụng quá trình nhiệt trung gian. Ví dụ đối với tua bin ngưng hơi không có quá nhiệt trung gian, với áp suất hơi mới po = 3.5÷4 MPa không được dưới 500oC. Nói chung là không thể xét việc nâng cao hiệu suất hơi mới tới hiệu quả kinh tế của chu trình tách rời việc nâng cao nhiệt độ hơi mới. Hình 2.8. Sự thay đổi của nhiệt giáng lý thuyết Ho tùy thuộc vào áp suất ban đầu khi nhiệt độ ban đầu to và áp suất cuối pk, không đổi (ab- đường tiếp tuyến với đường đẳng nhiệt to và song song với đường đẳng áp pk. Hình 2.8. Sự thay đổi của nhiệt giáng lý thuyết Ho tùy thuộc vào áp suất ban đầu khi nhiệt độ ban đầu to và áp suất cuối pk x = 1 Pk = 4KPa(tk=28.6 0C) b c P0=15MPa H0 H0 max - Nâng cao hiệu suất thông qua của nhiệt độ hơi mới. Ảnh hưởng của nhiệt độ hơi mới ban đầu tới hiệu suất nhiệtđược thấy rõ trên giản đồ T-S. Tăng nhiệt độ hơi ban đầu từ To đến T01 sẽ làm tăng nhiệt độ cấp nhiệt trung bình từ Ttd đến Ttd1 hình 2.9. Khi nhiệt độ hơi thoát Tk giữ không đổi, tương ứng hiệu suất nhiệt của chu trình tăng lên. Hình 2.9. Ảnh hưởng của áp suất ban đầu po đến nhiệt giáng lý thuyết Ho và hiệu suất tuyệt đối lý tưởng ηt với áp suất hơi thoát không đổi pk = 4 kpa (H.K.P.H- hơi bão hòa khô ) Vì trong chu trình đầu nhiệt độ cấp nhiệt trung bình Ttd thấp hơn nhiệt độ trung bình Ttd1 của chu trình sau , còn nhiệt độ hơi thoát ra của hai chu trình thi bằng nhau, nên hiệu suất của chu trình sau cao hơn chu trình đầu. Nếu quá trình bành trướng kết thúc ở vùng hơi ẩm thì khi nâng nhiệt độ ban đầu lên độ ẩm của hơi trong các tầng tuốc bin cuối sẽ giảm. Do đó khi nâng cao nhiệt độ ban đầu không những tăng hiệu suất nhiệt mà hiệu suất trong tương đối cũng tăng lên. S T Hình 2.10. So sánh các chu trình nhiệt lý tưởng có nhiệt độ hơi ban dầu khác nhau trên giãn đồ T-S Nếu tiếp tục nâng nhiệt độ ban đầu lên nữa , quá trình bành trướng có lẽ kết thúc ở vùng hơi quá nhiệt. Trong trường hợp này nhiệt độ của nhiệt thải trung bình tăng lên chút ít. Nhưng vì các đường đẳng áp ở vùng hơi quá nhiệt phân kỳ theo hình quạt về phía trên và phía phải, nên nhiệt độ cấp nhiệt trung bình tăng nhanh hơn nhiẹt độ của nhiệt thải, cho nên hiệu suất nhiệt của chu trình cũng tăng lên. Như vậy là, khi tăng nhiệt độ ban đầu của hơi sẽ làm tăng hiệu suất tuyệt đối của chu trình. - Nâng cao hiệu suất thông qua áp suất cuối. Độ ngưng nếu giảm áp suất hơi thoát pk khi các thông số hơi ban đầu po và to không đổi sẽ làm giảm nhiệt tụ của hơi, tức là làm giảm nhiệt độ hơi thoát Tk. Nhiệt độ cấp nhiệt trung bình Ttd sẽ giảm không đáng kể. Cho nên khi giảm áp suất cuối bao giờ cũng làm tăng hiệu nhiệt độ trung bình của nhiệt cấp và nhiệt thải ra, tăng nhiệt giáng lý thuyết và tăng hiệu suất nhiệt của chu trình. Hình 2.11. So sánh các chu trình nhiệt lý tưởng với các áp suất cuối khác nhau trên giãn đồ T-S T S Điều đó có thể khẳng định khi ta nghiên cứu hai chu trình nhiệt chỉ có áp suất cuối khác nhau trên giãn đồ T-S như hình 2.11. Diện tích abcdea (ứng với chu trình thứ nhất) lớn hơn diện tích a’bcde’a’ của chu trình thứ hai với áp suất cuối cao hơn một đại lượng bằng diện tích gạch chéo aa’e’ea. Vậy là nhiệt giáng lý thuyết của chu trình thứ nhất cao hơn chu trình thứ hai. - Nâng cao hệ suất nhiệt của chu trình bằng cách tăng hiệu suất nhiệt độ giữa nguồn nóng (nhiệt cấp cho lò hơi) và nguồn lạnh (nhiệt trao cho nước tuần hoàn) Ví dụ: Tăng áp suất, nhiệt độ hơi ban đầu. Giảm áp suất cuối (tăng chân không trong bình ngưng). Áp dụng gia nhiệt nước cấp. Áp dụng quá nhiệt trung gian. 0 0 1 1 P0 P1 ω1 ω2 P* Hình 2.12. Dòng chảy trong ống phun - Nâng cao hiệu suất tương đối của thiết bị bằng cách hoàn thiện cấu tạo của tuabin và máy phát, chủ yếu là giảm bớt các tổn thất trong phân chuyền hơi của tuabin và giảm bớt tổn thất cơ cũng như tổn thất trong máy phát. 2.3. DÒNG CHẢY TRONG CÁC LOẠI ỐNG 2.3.1. Dòng chảy trong ống phun lý tưởng Phương trình bảo toàn năng lượng viết cho một phân tố của dòng: di + d ( ) – dp + dl = 0 (2.8) Áp dụng cho1kg hơi nước lưu động ổn định không có trao đổi năng lượng với môi trường bên ngoài: - = i0 – i1 (2.9) Tốc độ của dòng tại cửa ống phun: c1 = (2.10) Nếu chất công tác là khí lý tưởng: c1 = (2.11) Với = tỉ số áp suất k: số mũ đoạn nhiệt 2.3.2. Ống tăng tốc - Ống tăng tốc nhỏ dần Là ống có tiết diện nhỏ dần làm nhiệm vụ tăng tốc nếu như tốc độ ở cửa vào của dòng chất môi giới nhỏ hơn tốc độ âm thanh. Tốc độ ở cửa ra = (2.12) Đối với ống tăng tốc ,thông thường rất bé so với = (2.13) Người ta cũng chứng minh được = (2.14) Trong trường hợp môi chất là hơi nước hay một loại khí nào thì: k = 1,3: nếu là hơ quá nhiệt k = 1,135: nếu là hơi bão hoà khô k = 1,035 + 0,1x Tốc độ ở cửa ra chịu ảnh hưởng của tính chất của chất môi giới, các thông số ban đầu ở cửa vào, và phụ thuộc rất lớn vào mức độ giản nở p2/p1. Nếu càng tăng thì p2 càng giảm co nghĩa là tỉ số p2/p1 phải càng nhỏ. - Lưu lượng qua ống tăng tốc nhỏ dần. Theo điều kiện lưu động liên tục và ổn định, tại bất kỳ tiết diện nào của ống thì lưu lượng khối lượng của dòng chất môi giới đều bằng nhau và không thay đổi theo thời gian. G = (2.15) Trong trường hợp tổng quát: G = (J/kg) (2.16) G = ( kJ/kg) G = ( kcal/kg) Nếu chất môi giới là khí lý tưởng v2 = v1 (2.17) G = f2 - Ống tăng tốc Laval Để làm cho chất môi giới tăng tốc từ giá trị ban đầu a thì người ta dùng một ống hỗn hợp, ống này bao gồm đoạn đầu có hình dạng nhỏ dần và đoạn sau có hình dạng lớn dần. Tiết diện ma tại đó có giá trị nhỏ nhất trong toàn bộ ống gọi là cổ ống. Lưu lượng qua ống: Gmax = f2 (2.18) Ta có: Gmin = fmin (2.19) Thiết kế ống tăng tốc thì f2 được tính: f2 = (2.20) 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 đề về nhiệt động học chất khí cũng như các loại ống phun trong dây chuyền. 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 điện dùng để kéo máy phát điện để sản xuất điện năng. Chất lượng dòng điện càng cao khi tần số dòng điện càng ổn định, nghĩa là tốc độ quay của máy phát càng ổn định. Vì vậy, turbine - máy phát phải làm việc với số vòng quay không đổi để đảm bảo cho tần số của dòng điện luôn luôn ổn định. Mômen quay của roto turbine do công của dòng hơi sinh ra, còn mômen cản của máy phát do phụ tải điện sinh ra trên các cực của máy phát. Công suất của turbine được tính theo công thức: N i = GHi , [kw] (3.1) Hoặc Ni = GH0ηtd Ở đây: H0 là nhiệt dáng lý thuyết của turbine (không kể đến tổn thất) (kJ/kg) Hi là nhiệt dáng thực tế của turbine ηtd là hiệu suất trong tương đối 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 điện được biểu diển bằng phương trình: Nhd = Nd + Ntt + (Jt + Jmf) (3.2) Trong đó: 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 điện trên các cực của máy phát (phụ thuộc vào phụ tải tiêu thụ bên ngoài) 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 điện Nd phải luôn luôn cân bằng với công Nhd trên trục turbine. Nghĩa là sự thay đổi phụ tải trên các cực của máy phát phải phù hợp với sự thay đổi công suất trên trục turbine. Mỗi giá trị phụ tải xác định 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 đổi sẽ tạo ra sự mất cân bằng giữa mô men cản và mô men quay, do đó dẫn đến số vòng quay của rô to thay đổi. Khi đang ở trạng thái cân bằng, nếu phụ tải Nd của máy phát thay đổi trong khi mô men quay của turbine chưa thay đổi (tức Nhd chưa thay đổi) sẽ tạo ra sự mất cân bằng giữa công suất của turbine và công suất của máy phát, theo (3.2) thì tốc độ Ω turbine - máy phát sẽ thay đổi. Rõ ràng khi Nd tăng thì số vòng quay Ω giảm đi. Để duy trì Ω = const, cần phải tăng lượng hơi vào turbine để tăng công suất Nhd của turbine lên tương ứng. Tóm lại bất kỳ một sự thay đổi nào của phụ tải điện cũng sẽ kéo theo sự thay đổi số vòng quay của turbine (tốc độ quay của rô to turbine - máy phát). Số vòng quay sẽ thay đổi đến chừng nào mà cơ cấu phân phối hơi chưa làm thay đổi lưu lượng hơi vào turbine, nghĩa là chưa thiết lập được sự cân bằng mới giữa mô men cản của phụ tải điện 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 đổi nào của phụ tải Nd là nhiệm vụ của bộ điều chỉnh tốc độ (tức là điều chỉnh số vòng quay). Bộ điều chỉnh tốc độ được nối liên động với cơ cấu tự động điều chỉnh van phân phối hơi của turbine để điều chỉnh lượng hơi vào turbine phù hợp với phụ tải điện. Khi phụ tải điện thay đổi, cần phải thay đổi lưu lượng hơi vào turbine để thay đổi công suất turbine cho phù hợp với sự thay đổi phụ tải điện. Lưu lượng hơi được thay đổi nhờ hệ thống phân phối hơi và hệ thống điều chỉnh của turbine. 3.2. MÔ HÌNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC TURBINE HƠI Tốc độ hay công suất của turbine hơi được điều khiển bởi lưu lượng hơi đi vào turbine thông qua việc điều khiển van điện - thuỷ lực. Hệ thống điều tốc là một vòng lặp kín, bất cứ sự sai lệch tốc độ, sai lệch công suất và sai lệch áp suất đều được điều khiển bởi van điều khiển lưu lượng hơi. Trong hình 3.1 là sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ của turbine – máy phát. Trong đó: m – khối lượng cánh van điều 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 đại của bộ khuếch đại; KC – hệ số khuếch đại của khâu phản hồi cảm biến vị trí; I – dòng điện điều khiển van servo; e – điện áp điều 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 điện; Qt – lưu lượng hơi vào turbine; KΩ - Hệ số khuếch đại của khâu phản hồi tốc độ turbine. Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ của turbine-máy phát điện PID Van servo +xylanh Van khí Turbine -máy phát Cảm biến vị trí Tốc kế KA e F2 F1 x Qt Ω u E1 i E2 - + - Hình 3.2. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển tốc độ turbine Từ sơ đồ nguyên lý hình 3.1. ta xây dựng được sơ đồ khối như hình 3.2. WPID(s) G1(s) KQ G2(s) Ω(s) KΩ Qt(s) x(s) u(s) E2(s) e(s) F2(s) - + Từ sơ đồ khối chức năng hình 3.2. ta thiết lập được sơ đồ khối như hình 3.3. WPID(s) G1(s).KQ.G2(s) KΩ e(s) E2(s) u(s) Ω(s) F2(s) - + Hay Sơ đồ dạng thu gọn WPID(s) KΩ e(s) E2(s) u(s) Ω(s) F2(s) - + W(s) Hình 3.3. Sơ đồ khối biến đổi hàm truyền Ω(s)/e(s) Trong đó: WPID((s) – Hàm truyền của bộ điều khiển PID; G1(s) – hàm truyền của cụm van servo – xylanh điều khiển van hơi; G2(s) – hàm truyền của cụm turbine – máy phát; KQ – hệ số quan hệ lưu lượng khí và hành trình đóng mở van hơi. W(s) = G1(s).KQ.G2(s) (3.3) 3.2.1. Cụm van servo - xylanh điều khiển van hơi Mô hình nghiên cứu được thiết lập như hình 3.4, đây là một hệ thống tự động thủy lực chuyển động tịnh tiến điều khiển bằng cụm servo – xylanh. u E1 - + Bộ khếch đại KA Van servo KV Cụm pittông và van hơi Cảm biến vị trí i Q x Hình 3.4. Sơ đồ mạch điều khiển cụm van servo – xylanh điều khiển van hơi Nếu bỏ qua biến dạng đàn hồi của dầu trong các buồng làm việc của xylanh và đường ống; không tính đến ảnh hưởng của lực ma sát; van servo và bộ khuếch đại được coi là các khâu khuếch đại. Ta có các phương trình sau: (3.4) ; E1.KA=I (3.5) Trong đó: KV: hệ số khuếch đại của van servo; K0: hệ số thoát dầu của van servo Phương trình Laplace của (3.4) 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) KA KV K0 i(s) E1(s) p(s) x(s) a) Từ (3.5) ta lập được sơ đồ khối như hình 3.5. E1(s) x(s) b) a) Hình 3.5. Sơ đồ khối biến đổi hàm truyền x(s)/E(s) a – Sơ đồ dạng tổng quát; b – Sơ đồ dạng thu gọn E1(s) x(s) KC u(s) + - Hình 3.6. Sơ đồ khối của cụm van servo – xylanh điều khiển van hơi Vậy ta có sơ đồ khối của cụm van servo – xylanh điều khiển van hơi như hình 3.6. Vậy ta có hàm truyền: (3.7) Đặt: ; ; (3.8) Hàm truyền (3.6) được viết lại dưới dạng (3.9) như sau: (3.9) Hàm truyền (3.9) là một khâu dao động (hệ bậc 2). Khi ổn định thì (3.10) 3.2.2. Cụm turbine – máy phát Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý của cụm turbine – máy phát Mô hình nghiên cứu được thiết lập như hình 3.7. Ta có các phương trình như sau: - Phương trình lưu lượng: (3.11) - Phương trình mô men: (3.12) Trong đó: Dt – thể tích của khối turbine. Dt0 – thể tích trên 1 rad, . 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 – vận tốc gốc của trục turbine. R – hệ số tổn thất hơi. - hệ số đàn hồi của hơi trong turbine. B – Mô đun đàn 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) = Dt0.Ω(s)+(R+C.S).ph(s) (3.13) Dt.ph(s) = (Jt.S+ft).Ω(s)+Mmp(s) (3.14) Từ đó ta có sơ đồ khối như hình 3.8. Ω(s) Qh(s) + Mmp(s) Dt Ph(s) - - Hay Ω(s) Qh(s) + - Hình 3.8. Sơ đồ khối của cụm turbine – máy phát Vậy hàm truyền (3.15) Hàm truyền (3.14) là một khâu dao động hệ bậc 2 Trong đó: ; Khi hoạt động ổn định hoặc gần ổn định thì hay (3.16) Vậy ta có hàm truyền W(s) của bộ điều tốc turbine là : W(s) = G1(s).KQ.G2(s) = (3.17) = Trong đó: Ks = KxKtKQ 3.2.3. Xấp xỉ hàm truyền của quá trình điều tốc Ta thấy cụm turbine – máy phát có khối lương rất lớn so với cụm servo – xylanh điều khiển van hơi và nó ảnh hưởng rất lớn tới bộ điều khiển tốc độ turbine. Do đó ta có thể bỏ qua khối lượng m của cánh van điều khiển lưu lượng hơi vào turbine. Từ các phương trình (3.7) ta có các phương trình như (3.18) (3.18) Với: ; Từ phương trình (3.15) ta phân tích như phương trình (3.19) (3.19) Với: ; Thay (3.18) và (3.19) vào (3.3) ta có: W(s) = G1(s)KQG2(s) = (3.20) 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: (3.21) 3.3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 3.3.1. Giới thiệu Thuật toán điều khiển PID hầu hết được sử dụng cho vòng lặp có phản hồi. Bộ điều khiển PID có thể thể hiện dưới nhiều hình thức. Nó có thể được thể hiện như một bộ điều khiển độc lập hoặc là một phần của hệ thống điều khiển số trực tiếp (DDC) hay hệ thống điều khiển phân tán. Ngày nay, hơn một nửa các bộ điều khiển trong công nghiệp là sử dụng bộ điều khiển PID vì nó có cấu trúc đơn giản và tin cậy. Dưới