- 1 -
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
2
- 2 -

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 CO
2
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 -

cụng tỏc ủo to trc khi ủa dõy chuyn vo s dng.
7. CU TRC LUN VN
Ngoi phn m ủu, kt lun v kh nng ng dng ca ủ
ti, danh mc ti liu tham kho v cỏc ph lc, ni dung chớnh ca
lun vn ủc chia thnh 4 chng nh sau:
Chng 1: Tng quan
Gii thiu cỏc ngun nhit d thi ra mụi trng ca cỏc nh
mỏy xi mng hin nay. Da vo nhng ủc tớnh cụng ngh ủ xõy
dng lờn mụ hỡnh thu hi nhit lm mỏy phỏt ủin phc v cho ngun
ủin s thiu ht ca nh mỏy trong tng lai.
Chng 2: Cỏc thit b chớnh trong dõy chuyn thu hi nhit d
Gii thiu mt s thit b chớnh trong dõy chuyn. Nguyờn lý lm
vic ca cỏc thit b v chu trỡnh nhit húa hi.
Chng 3: Thit k mụ hỡnh ủiu khin tc ủ ca turbine hi
Trong phn ny gii thiu v mụ hỡnh toỏn hc ủiu khin
tc ủ turbine hi, xõy dng mụ hỡnh ủiu khin tc ủ turbine bng
thut toỏn PID c ủin t ủú chnh ủnh cỏc tham s ca b ủiu
khin PID bng b ủiu khin fuzzy m.
Chng 4: Mụ phng h thng bng WINCC phc v cho cụng tỏc
ủo to
Mụ phng quỏ trỡnh thu hi nhit bng wincc, quỏ trỡnh thit
k v gii thiu chc nng ca cỏc thit b trờn mụ hỡnh ủiu khin 6
- 6 -
CHNG 1

nhit ủng
1.3.2.1. Cỏc ủim trng yu ca cụng ngh
1.3.2.2. Cu trỳc h thng nhit ủng

Lò nung
Giàn làm lạnh
o
T=80-100 CLọc bụi
Nồi hơi
AQC
Máy phát điện
Nồi hơi SP
o
T=190-220 C
Lọc bụi
Qụat ID
o
T=500-550 C
Hệ thống khử Oxi
cấp nuớc cho nồi hơi
Tua bin hơi nuớc
o
Hơi nuớc T=330-435 C
Hệ thống van
điều chỉnh
Khí thải T=300-350 C
o
Thiết bị
ngung tụ
Hỡnh 1.3. Mụ hỡnh thu hi nhit kiu khụng bự hi ủn ỏp

Hỡnh 1.4. Mụ hỡnh kiu bự hi s dng hi th cp hi lu
8
- 8 -
1.3.3. Cỏc ủc trng ca cụng ngh
1.4. CễNG NGH PHT IN TN DNG NHIT D
NHIT THP CHO Lề QUAY XI MNG TH H TH
HAI TRấN TH GII
1.4.1. nh ngha v ủc trng
1.4.1.1. nh ngha
L cụng ngh chuyn ủi nhit d sinh ra t khớ thi t h
thng tin trao ủi nhit v phn lm mỏt clinker ca lũ quay xi mng
kiu mi ( ủõy gi l lũ quay ngn) thnh ủin, tua bin s dng hi
ỏp sut 1,27 - 3,43 MPa, nhit ủ 340 - 435
0
C, vic phỏt ủin khụng
lm nh hng ti cụng sut, cht lng clinker, khụng h thp hiu
sut hot ủng ca lũ, khụng phi thay ủi thit b v quỏ trỡnh cụng
ngh sn xut xi mng, khụng tng sut tiờu hao ủin v nhit ca sn
xut clinker.
1.4.1.2. c trng
Cụng ngh phỏt ủin tn dng nhit d nhit ủ thp th h
th hai cho lũ quay xi mng cú hai hoc nhiu ủc ủim c bn ngoi
Hệ thống khử Oxi
cấp nuớc cho nồi hơi
Giàn làm lạnh
Lọc bụi
o
Nồi hơi
AQC
T=80-100 C

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 145
0
C, 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.
10
- 10 -
CHƯƠNG 2
CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG DÂY CHUYỀN THU HỒI
NHIỆT DƯ
2.1. NỒI HƠI
2.1.1. Khái niệm cơ bản

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:
N
i
= GH
i
, [kw] (3.1)
Hoặc N
i
= GH
0
η
td

Ở ñây: H
0
là nhiệt dáng lý thuyết của turbine (không kể ñến
tổn thất) (kJ/kg); H
i
là nhiệt dáng thực tế của turbine; η
td
là hiệu suất
trong tương ñối của turbine.
Từ (3.1) ta thấy công suất turbine tỉ lệ thuận với lưu lượng

là công suất ñiện trên các cực của máy phát (phụ thuộc
vào phụ tải tiêu thụ bên ngoài)
12
- 12 -
N
tt
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 N
d

phải luôn luôn cân bằng với công N
hd
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 N
d
của máy phát
thay ñổi trong khi mô men quay của turbine chưa thay ñổi (tức N
hd

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 N

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; P
S
– áp suất vào của van; Q – lưu lượng vào của xylanh; K
A
–
hệ số khuếch ñại của bộ khuếch ñại; K
C
– 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; M
mp
–
momen trên trục của máy phát ñiện; Q
t
– lưu lượng hơi vào turbine;
K
Ω
- Hệ số khuếch ñại của khâu phản hồi tốc ñộ turbine.

14
- 14 -

A
e
F
2
F
1
x

Q
t
Ω

u

E
1
i

E
2
-

+

-

Hình 3.2. Sơ ñồ khối chức năng của hệ thống ñiều khiển tốc ñộ
turbine
M¸y ph¸t ®iÖn
Bé ®iÒu

m
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 : W
PID
((s) – Hàm truyền của bộ ñiều khiển PID;
G
1

Ω
Q
t
(s)
x(s)
u(s)
E
2
(s
)
e(s)
F
2
(s)
-
+
W
PID
(s)
K
Ω
e(s)
E
2
(s)
u(s)
Ω(s)
F
2
(s)
Ta có các phương trình (3.4) và (3.5)

0
. . .
V
dx
Q K i K p A
dt
= − =
(3.4)

2
2

khếch
ñại K
A

Van
servo K
V
Cụm pittông
Và van hơi
Cảm biến vị trí
i
Q x
Hình 3.4. Sơ ñồ mạch ñiều khiển cụm van servo – xylanh ñiều
khi
ển van h
ơi

17
- 17 -
(3.7)


d
f J I K
dt
Ω
= Ω + + (3.12)
2
0
.
( . . )
A V
A K K
S A K m S
+
E
1
(s)
x(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
(Kc)

– thể tích của khối turbine
D
t
0
– thể tích trên 1 rad,
0
2
t
t
D
D
π
=
J
t
– giá trị mô men quán tính khối lượng của trục
rôto của turbine và máy phát
f
t
– hệ số ma sát trên trục của turbine và máy phát.
K
mp
– hệ số tỷ lệ mô men của máy phát.
Ω = 2π.n
R – hệ số tổn thất hơi

0
t
D
C
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
t t
D
R C S J S f
+ +

0
t
D

Hình 3.8. Sơ ñồ khối của cụm turbine – máy
phát
2
0
( )

Q

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
1
2
3
. .
( )
( )
( ) . . . .
A V G
A V C
A K K K
x s
G s
u s A s AK K K s
α
= = =
+ +
(3.18)
Với:
1
.

1
1 2
1
.
T
α α
=
;
2 1 2
1 2
1
( )
.
T
α α
α α
= +

Thay (3.18) và (3.19) vào (3.3) ta có:
W(s)=G
1
(s)K
Q
G
2
(s)=
1
W
3 1 2 3 2 1
. .

W
= 1; α
3
=0; α
2
=1; α
1
=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.
W
PID
(s)=K
p
(1+1/T
i.

=1, ta nhận ñược hàm truyền
thu gọn như sau :
Hình 3.15. Bộ ñiều khiển PID ñiều khiển tốc ñộ turbine
Ω(s)
e(s)
W
PID
(s)
E
2
(s)
+
-
1
( 1)( 5)
s s s
+ +
G
(s)

K
Ω
21
- 21 -
Bảng 3.3 Bảng tiêu chuẩn ổn ñịnh Routh
s
3

.s+T
d
.s)=

=

3.3.3. Phân tích thiết kế bộ ñiều khiển theo phương pháp cổ ñiển
3.4. CHỈNH ĐỊNH MỜ THAM SỐ PID CHO BỘ ĐIỀU TỐC
TURBINE HƠI
Hầu hết các bộ ñiều khiển tốc ñộ turbine ñều sử dụng bộ ñiều
khiển PID, các bộ ñiều khiển này chưa tối ưu hoặc ít bền vững ñối
với sự thay ñổi các tham số trong quá trình vận hành. Tốc ñộ của
turbine hơi bị ảnh hưởng bởi quá nhiều thông số, và các thông số này
thay ñổi liên tục trong quá trình vận hành (áp suất hơi, lưu lượng hơi,
tải của lưới, nồi hơi, ) nên sử dụng bộ ñiều khiển mờ là một trong
những phương pháp so sánh ñể lựa chọn phương pháp ñiều khiển có
chất lượng cao và ñáp ứng với sự thay ñổi các tham số trong quá
trình vận hành.
2
1 6.3223( 1.4235)
18(1 0.35124 )
1.405
s
s
s s
+
+ + =

Hình 3.22. So sánh các ñáp ứng thu ñược như ở hình 3.27.

Hình 3.21. Sơ ñồ ñiều khiển sử dụng PID mờ ñiều khiển
tốc ñộ turbine
K
P
+
-
Bộ
FUZZY

Bộ PID
Servo
Motor

Turbine
K
I
K
D
Bộ chỉnh ñịnh mờ tham số PID

de(t)/dt
Hình 3.22. Khối thiết kế khâu FUZZY

23
- 23 -

- 24 -
CHƯƠNG 4
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG WIN CC PHỤC VỤ CHO
CÔNG TÁC ĐÀO TẠO
4.1. GIỚI THIỆU
4.1.1. Soạn thảo projec WINCC
4.1.2. Chọn PLC hoặc Drivers từ Tag Management
4.2.3. Hiệu chỉnh hình ảnh qúa trình (Process Picture)
4.2.3.1. Tạo hình ảnh quá trình
4.2.3.2 Cửa sổ Graphic Desiger
4.2.3.3. Tạo nút nhấn
4.2.3.4. Thiết lập thuộc tính chạy thực.
4.2. GIỚI THIỆU GIAO DIỆN CỦA HỆ THỐNG THU HỒI
NHIỆT DƯ
Mô hình tổng quát hệ thống thu hồi nhiệt ñược áp dụng trong dự
án của nhà máy ñược thể hiện như hình 4.1.

Hình 4.1. Mô phỏng tổng quan hệ thống thu hồi nhiệt dư làm máy
phát ñiện
25
- 25 -
4.3. GIỚITHIỆU CHI TIẾT CÁC MÀN HÌNH GIAO DIỆN
4.3.1. Nồi hơi SP, AQC
4.3.2. Hệ thống WHB Wind
4.3.3. Hệ thống RAC WATER
4.3.4. Hệ thống ST STATE
4.3.5. Hệ thống ST SYSTEM

1) Phân tích một số mô hình thu hồi nhiệt dư của nhà máy xi
măng ñể lựa chọ mô hình tối ưu nhất cho nhà máy.
2) Thiết kế mô hình ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi bằng bộ ñiều
khiển PID
3) Vẽ ñồ thị ñáp ứng của hệ bằng phần mềm Matlab.
4) Đưa ra phương án chỉnh ñịnh mờ tham số PID cho hệ thống
ñiều khiển tốc ñộ turbine hơi. So sánh chất lượng của bộ ñiều khiển
PID mờ so với bộ ñiều khiển PID kinh ñiển.
5) Thiết kế mô phỏng bằng WinCC mô hình ñiều khiển và
giám sát hệ thống thu hồi nhiệt phục vụ cho công tác ñào tạo các cán
bộ kỹ thuật của nhà máy.
2. Khả năng ứng dụng của ñề tài
Tính toán thiết kế hệ thống ñiều khiển cho turbine hơi và ứng
dụng vào dự án thu hồi nhiệt ñể phát ñiện tại nhà máy măng
COSEVCO Sông Gianh. Trên cơ sơ này ứng dụng cho các nhà máy
xi măng khác trong nước.
3. Hướng phát triển của ñề tài
Từ phương án chỉnh ñịnh mờ tham số PID có thể phát triển hệ
thống ñiều khiển mờ chuyên gia cho toàn nhà máy. Đây sẽ là một
hướng ñi ñúng ñắn và mới mẻ ở Việt Nam.