Xem mẫu

  1. PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 143 PHẦN MỀM TÍNH TOÁN ĐẶC TÍNH BỀ MẶT TRUYỀN NHIỆT (GAP) ThS. Nguyễn Tiến Sáng1, GS. TSKH. Pikina G. A2, Nguyễn Tiến Khang3 1 Tổng công ty Phát điện 1, 2Đại học Năng lượng Mát-xcơ-va, 3Viện Đo lường Việt Nam Tóm tắt: Phần mềm được viết trên nền ứng dụng C# mô tả về các đặc tính tĩnh và động của các bề mặt truyền nhiệt trong nhà máy Nhiệt điện. Phần mềm cung cấp khả năng sử dụng các mô hình toán học với tham số phân phối hoặc tập trung để mô phỏng các hình thức truyền nhiệt trong chu trình nhiệt của nhà máy — Tán xạ nhiệt, đối lưu nhiệt với môi trường bên ngoài nằm trên đường bão hòa, bức xạ nhiệt. Phần mềm đã được sử dụng rất hiệu quả phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu của học viên cao học tại bộ môn Tự động hóa các quá trình nhiệt, Đại học Năng lượng Mát-xcơ-va. Phần mềm giúp các nhà nghiên cứu lập mô hình mô phỏng những đối tượng cần điểu khiển trong chu trình nhiệt, từ đó xây dựng bộ tham số điều khiển tối ưu, giúp tối ưu hóa tổ máy, đảm bảo nguồn điện ổn định. Từ khoá: Phần mềm, C#, model, bề mặt truyền nhiệt, mô hình toán học, phân phối, tập trung, đặc tính tĩnh, đặc tính động, tán xạ, đối lưu, bức xạ. Abstract: The description of Visual C#-program of the calculation of static and dynamic characteristics of heat transfer surfaces. The program provides the possibility of using models with distributed or lumped parameters with respect to various real surfaces TPP and NPP - convective phase heat transfer, convection with external coolant on the saturation line and radiation. The program is focused on the performance of laboratory and course work of the educational process, but can be used by engineers and researchers. Keywords: Visual C# program, surface heat transfer, mathematical models, distributed and lumped parameters, static and dynamic characteristics, scattering, convective, radiation. I. GIỚI THIỆU Các quá trình nhiệt trong công nghiệp có thể được mô phỏng và liên kết với nhau bởi rất nhiều mô hình toán học với độ phức tạp và độ chính xác riêng của chúng. Độ chính xác của mô hình toán học (model) phụ thuộc rất nhiều vào các giả định được chấp nhận. Sự hoàn chỉnh của mỗi model là sự phản ánh các quá trình vật lý thực tế diễn ra trong các thiết bị nhiệt, các model có thể phân tích các đặc tính: tĩnh và động; tuyến tính và phi tuyến tính; tham số phân tán hay tập trung. Thực tế cho thấy mô hình phi tuyến tính với các tham số phân tán là mô hình đạt độ tin cậy cao nhất, cũng là mô hình khó xây dựng nhất [1].
  2. 144 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 Các giả định đã được thừa nhận về lỗi của các model đối tượng phát sinh phụ thuộc vào đặc điểm cụ thể và điều kiện làm việc thực tế trong công nghiệp. Với mục tiêu nhận dạng mô hình đối tượng cần điều khiển nhanh chóng và đơn giản, nhưng có độ chính xác đạt yêu cầu, các nhà phát triển có thể thực hiện phân tích so sánh các mô hình khác nhau. Quy trình so sánh này có thể được thực hiện một cách dễ dàng và tự động qua các model tính toán mô phỏng các đặc tính truyền nhiệt. Từ nhu cầu cấp thiết trên đây, phần mềm ứng dụng trên Visual C# về các đặc tính tĩnh và động của các bề mặt truyền nhiệt trong nhà máy nhiệt điện được xây dựng thành công. Ứng dụng trên C# cung cấp khả năng kết nối trực tiếp với các bộ điều khiển PLC, là kết quả quan trọng bước đầu trong quy trình xây dựng bộ tham số điều khiển tối ưu tổ máy nhiệt điện. II. MÔ TẢ PHẦN MỀM C# - GAP Mục đích đầu tiên của phần mềm tính toán đặc tính bề mặt truyền nhiệt là hỗ trợ cho phòng thí nghiệm và giáo trình môn học “Mô hình hóa đối tượng điều khiển nhiệt” tại bộ môn Tự động hóa các quá trình nhiệt (АСУТП), Đại học Năng lượng Mát-xcơ-va [5]. Cơ sở dữ liệu nguồn trong phần mềm gồm 40 biến thể (phương án) bộ giá trị các thông số công nghệ, xây dựng của lò hơi loại cận tới hạn có bình sinh hơi (BKZ-320) và lò hơi siêu tới hạn (TGMP-314). Đồng thời phần mềm cũng cho phép tính toán dựa trên những dữ liệu nhập từ bên ngoài bởi người dùng. Dữ liệu này được lưu tự động trong quá trình tính toán đặc tính. Các dữ liệu nguồn sẽ được khởi tạo lại trong lần khởi động kế tiếp và phục vụ để biểu diễn một cách đa dạng sự khác nhau của các bề mặt truyền nhiệt. Dưới đây là các tính năng chính được thực hiện trong chương trình: 1. Tính toán các bộ trao đổi nhiệt dạng: truyền nhiệt tán xạ thuận dòng chảy (hoặc ngược dòng); truyền nhiệt đối lưu khi môi trường bên ngoài nằm trên đường bão hoà; bức xạ nhiệt. 2. Tính toán đặc tính tĩnh sử dụng một mô hình phi tuyến tính với các tham số vật lý phần tán ứng với hai chất trao đổi nhiệt và tường đường ống truyền nhiệt trong bộ trao đổi nhiệt tán xạ, (Distributed parameter DP-DP-DP) hoặc mô hình tham số phân tán của các chất trao đổi nhiệt nhưng tường ống dưới dạng tập trung (Concentrated parameter DP-CP-DP) [1]. Ở mỗi bước của quá trình tính toán, sự phân bổ nhiệt độ dọc theo chiều dài ống dẫn nhiệt của môi trường đã làm thay đổi tính chất động lực học của chất trao đổi nhiệt bên trong, dẫn tới thay đổi các đại lượng nhiệt dung riêng và khối lượng hơi nước theo tọa độ đường ống. 3. Khi tính toán các bộ trao đổi nhiệt tán xạ ngược dòng, phần mềm cung cấp khả năng thực hiện thao tác lặp đi lặp để đến được giá trị gần đúng thực tế. Tính các đặc tính
  3. PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 145 động (tần số phức tạp) của quá trình truyền nhiệt đối với tất cả các kênh đầu vào và đầu ra. Trong trường hợp này, các mô hình tuyến tính được áp dụng tương ứng chất dẫn nhiệt ngoài ống – thành ống – trong ống lần lượt là – CP-CP-CP; CP-CP-DP; DP-CP- DP và mô hình xếp chồng nhiều ống MCP (Multi point model) [1]. 4. Kết quả mô phỏng trong quá trình và bề mặt truyền nhiệt được đưa ra trên các cửa sổ của phần mềm và hiện trực tiếp lên màn hình máy tính. 5. Ghi lại kết quả mô phỏng dưới dạng tệp ảnh theo địa chỉ người dùng chọn. Biểu diễn dữ liệu và điều khiển phần mềm Thông thường, chạy chương trình và kiểm soát công việc của ứng dụng được thực hiện bởi chuột vi tính như các ứng dụng phổ biến. Tuy nhiên, tải và kiểm soát chương trình có thể được thực hiện mà không sử dụng chuột bằng cách nhấn các phím thích hợp trên bàn phím. Khi người dùng nhấp vào nút chuột phải sẽ xuất hiện trên màn hình bảng chỉ dẫn các phím tắt tương ứng với các chức năng. Trong cửa sổ đầu tiên "CHỌN CHẾ ĐỘ", như thể hiện trong Hình 1, các tính năng được cài đặt như sau:  Đăng ký người dùng;  Lựa chọn loại nhà máy điện (nhà máy nhiệt điện TPP hoặc nhà máy điện hạt nhân NPP);  Lựa chọn bề mặt truyền nhiệt tính toán;  Lựa chọn kiểu tính toán (các đặc tính tần số tĩnh hoặc động của bề mặt);  Chọn loại mô hình (với thông số DP - phân tán hoặc CP - tập trung).  Các nút điều khiển được đặt ở phía dưới cửa sổ. Hình 1: Cửa sổ khởi tạo “Operation mode selection”
  4. 146 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 Sau khi đã chọn phương án mô phỏng và nhấn nút "Next" cửa sổ dữ liệu xuất hiện cho các phương án bề mặt truyền nhiệt đã chọn trên Hình 2. Các giá trị khối lượng riêng  2 và nhiệt dung riêng c p của dòng nước hơi bên trong 2 các ống được thiết lập tương đối (màu đỏ), do chúng phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, sự thay đổi của dòng chảy và sẽ được chính xác hóa sau phần tính đặc tính tĩnh. Hình 2: Cửa sổ “Your Data” Tại của sổ này, người dùng có thể thay các thông số mới của người dùng sao cho phù hợp với thực tế, hoặc thay đơn vị của từng tham số chèn vào; hệ thống sẽ tự chuyển đổi trong hệ đơn vị SI. Tính toán đặc tính tĩnh Tại Hình 3 (Preliminary calculations) là thông số tổng quan của bề mặt truyền nhiệt được tính toán và hiển thị. Trong trường hợp là bề mặt truyền nhiệt dạng nghịch, cần phải đưa ra các giá trị gần đúng của thể tích V1 và chiều dài của dòng chảy ngoài ống L1 . Ngoài ra, cần thiết lập nhiệt độ bắt đầu của dòng chảy ngoài ống (đầu ra 1out  1b ) sao cho sau quá trình tính toán, nhiệt độ kết thúc (đầu vào, 1end  1in ) của dòng chảy ngoài ống bằng với thiết lập ban đầu tại cửa sổ Hình 2. Hình 3: Cửa sổ “Estimation”
  5. PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 147 Sau kết quả tính toán tổng thể tại cửa sổ Hình 3, chúng ta có được các đồ thị kết quả tính toán đặc tính tĩnh của bề mặt truyền nhiệt sau đây: phân bố nhiệt độ dọc theo ống cho dòng chảy bên trong, dòng chảy bên ngoài, bề mặt bên trong và bên ngoài bức tường (Hình 4); sự phân bố nhiệt dung riêng và khối lượng riêng của dòng chảy bên trong. Hình 4: Phân bố nhiệt độ của bề mặt ống và các dòng chảy bên trong, ngoài ống theo mô hình DP Trên Hình 4, bằng nút “Model”, bạn có thể thay đổi kiểu tường nhiệt truyền từ mô hình phân tán sang mô hình tập trung hoặc ngược lại. Và trong các ô giá trị của "Current position", bạn có thể xác định tọa độ của điểm bất kỳ trên đồ thị bằng cách di chuyển mũi tên chuột trên đó, bằng cách này người dùng dễ dàng xác định được giá trị nhiệt độ của từng điểm dọc theo chiều dài ống truyền nhiệt. Khi tính toán mô phỏng đặc tính tĩnh, phần mềm từng bước đưa ra lần lượt sự phân bổ của khối lượng riêng và nhiệt dung riêng của dòng chảy trong ống theo trục chiều dài ống. Những kết quả này cho phép xác định khối lượng riêng và nhiệt dung riêng của dòng chảy trong ống dễ dàng, từ đó tìm ra giá trị trung bình của các đại lượng trên và cập nhật lên bảng Hình 2. Tính toán tần số đáp ứng quá độ Tại cửa sổ tiếp theo, Hình 5 các tham số truyền nhiệt tổng quát của dòng chảy được đưa ra. Ở đây người dùng có thể chọn các dạng kênh cần mô phỏng của bộ trao đổi nhiệt. Sau khi nhấn nút "Next", cửa sổ tiếp theo sẽ hiển thị mô phỏng đồ thị Nyquist (CFC) cho kênh đã chọn (Hình 6). Trong cửa sổ này, người sử dụng có thể đặt tần số cắt và thông số trục tọa độ. Sử dụng hai nút "Zoom In" và "Zoom Out" giúp dễ dàng thay đổi tỷ lệ hiển thị đường Nyquist. Nút "Zoom In" cho phép xem đặc tính đối tượng ở vùng cao tần. Khi
  6. 148 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 nhấn một lần nữa, nó sẽ tăng tần số nhiều hơn và khi nhấn “Zoom Out” đường Nyquist sẽ về dạng ban đầu. Tại vùng tần số cao, phần mềm đưa ra kết quả hoàn phù hợp với lý thuyết, theo đó đường Nyquist theo kênh nhiệt độ cho dòng chảy bên trong có xu hướng một vòng tròn với bán kính e  St 2 z và đường Nyquist của các kênh khác có thể là một vòng tròn ngay từ vùng tần số thấp. Hình 5: Channels to calculate Hình 6: Cửa số “Dynamic peformance”. Đồ thị Nyquist
  7. PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 149 Trong trường "Organization coordinate z", đối với mô hình phân tán, bạn có thể nhập một giá trị tương ứng tọa độ dọc chiều dài ống, đường Nyquist được cập nhật sao khi ấn nút tính toán "Update". Đối với các giá trị khác nhau của độ dài phối hợp z, hoặc thay đổi dạng model mô phỏng khác, phần mềm cho phép biểu diễn tập hợp họ đường Nyquist giúp so sánh chúng với nhau. Với nút "Clear" tất cả các tính toán trước đó sẽ bị xóa và chỉ còn lại kết quả tính toán được chọn mới nhất. Ẩn bên trong thanh trượt "Models", bạn có thể thực hiện chuyển đổi giữa các mô hình DP-CP-DP; CP-CP-CP, CP-CP-DP, MCP-n. Phần mềm có điểm bắt đầu của màn hình hiển thị, đánh dấu "Current position", thiết lập và phản ánh giá trị hiện tại của điểm chuột, giúp người dùng đánh giá đồ thị Nyquist. Kết quả cuối cùng của quy trình mô phỏng đối tượng điều khiển, người dùng chuyển sang một trang bên cạnh - mở ra một cửa sổ với đặc tính đáp ứng quá độ theo thời gian tính toán của kênh mô hình đã chọn, như thể hiện trong hình 7. Hình 7: Cửa sổ “Dynamic peformance”. Đường quá độ Ở đây, ngoài khả năng thiết lập các tham số hiển thị, có khả năng thiết lập các thông số của công thức đảo ngược Furie - biến đổi - end tần số (giới hạn trên của hội nhập) và số điểm tính toán, giúp đánh giá phân tích các tham số của đối tượng cần điều khiển. Trong quá trình tính toán các đặc tính tần số, bằng phím "F1", bạn có thể gọi cửa sổ trợ giúp "Help" với các lược đồ tín hiệu và bảng các công thức hàm truyền của tất cả các kênh, dùng để tính toán mô phỏng ra đồ thị đường Nyquist.
  8. 150 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 III. KẾT LUẬN Phần mềm “Tính toán đặc tính bề mặt truyền nhiệt” được thiết kế trên môi trường lập trình tiên tiến Microsoft Visual 2016 C-#. Phần mềm thực hiện khả năng tính toán các đặc tính tĩnh và động của tất cả các dạng thiết bị trao đổi nhiệt - loại truyền nhiệt lưu chuyển thuận dòng (hoặc ngược dòng); loại đối lưu với tác nhân truyền nhiệt bên ngoài nằm trên đường bão hòa; loại bức xạ. Mô tả quá trình trao đổi nhiệt lấy làm mô hình với các thông số phân tán và mô hình tập trung. Tính toán các đặc tính tĩnh sử dụng một mô hình phi tuyến tính với các tham số phân tán của đại lượng vật lý (hai tác nhân truyền nhiệt và tường ống truyền nhiệt trong trường hợp bộ trao đổi nhiệt đối lưu, mô hình DP-DP-DP) hoặc mô hình thông số phân tán của truyền nhiệt đối lưu, nhưng mô hình điểm ống (mô hình DP-CP-DP). Ở mỗi bước tính toán, sự phân bố nhiệt độ dọc theo chiều dài của môi trường đã làm ảnh hưởng tới giá trị tuyệt đối của tính chất nhiệt động lực của nước và hơi nước, từ đó xác định các giá trị nhiệt dung riêng và khối lượng riêng thay đổi theo dọc chiều dài ống. Khi tính toán bộ trao đổi nhiệt dòng ngược (ngược dòng) cung cấp cho việc thực hiện các thủ tục lặp đi lặp lại. Tính năng động (tần số phức tạp) của quá trình nhiệt được thực hiện đối với tất cả các kênh tương ứng với đầu vào và đầu ra có thể có. Sử dụng hai loại mô hình tuyến tính - chỉ với các thông số phân phối cho chất lỏng bên trong các ống (CP-CP-DP model) và với các thông số tập trung cho tất cả các vật liệu (CP-CP-CP model). Mặc dù chương trình được định hướng để hỗ trợ cho môn học "Mô hình hóa đối tượng điều khiển nhiệt", nhưng với khả năng thay đổi dữ liệu đầu vào của người sử dụng và áp dụng mô hình độ chính xác khác nhau đã cho phép sử dụng chương trình này trong các hướng nghiên cứu đa dạng của chuyên ngành tự động hóa các quá trình nhiệt. LỜI CẢM ƠN Công trình này được hoàn thành dưới sự hỗ trợ của Quỹ Nghiên cứu cơ bản Liên Bang Nga theo dự án No 14-08-01165. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Pikina G.A. Matematicheskie modeli tekhnologicheskikh ob’ektov [Mathematical models of technological objects: Text-book for high schools]. Moscow. MPEI Publishing House. 2007. 300 p. (In Russ.). [2] Пикина Г.А., Нгуен Т.С. Программа расчета статических поверхностей теплообмена //Государственная регистрация программы для ЭВМ № 2015612266. [3] Pikina G.A., Nguyen T.S. Programma rascheta staticheskikh i dinamicheskikh kharakteristik teplovogo oborudovaniya teplovykh i atomnykh elektrostantsyi [The program of calculating the static and dynamic characteristics of heat transfer
  9. PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 151 equipment of thermal and nuclear power plants]. Moscow. Vestnik MPEI. No 1. 2015. Pp. 46―50. (In Russ.). [4] Pashchenko F.F., Pikina G.A. Osnovy modelirovaniya energeticheskikh ob’ektov [Modeling bases for the energy objects]. Moscow: Fizmatlit Publ., 2011. 464 p. (In Russ.). [5] Пикина Г.А., Нгуен Т.С. Теплогидравлические коды теплообменных устройств ТЭС и АЭС // Труды XXIV междунар. науч.-техн. конф. «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации». Алушта, 14-20 сентября 2015.