Thiết kế mô đun điều khiển máy lọc dầu của máy biến áp lực, tích hợp chức năng giám sát từ xa
- 87 trang
- file .pdf
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thiết kế mô đun điều khiển máy lọc dầu
của máy biến áp lực, tích hợp chức năng
giám sát từ xa
TRỊNH ANH QUỐC
[email protected]
Ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hoá
Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Sỹ Hồng
Chữ ký của GVHD
Viện: Điện
HÀ NỘI - 2020
Lời cảm ơn
Đầu tiên, Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS. TS. Hoàng Sỹ Hồng,
người hướng dẫn trực tiếp em thực hiện đề tài này. Thầy đã có những định
hướng, hướng dẫn, chỉ bảo và trao đổi với em trong suốt quá trình học tập,
nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội, cũng như trong suốt thời gian
em thực hiện luận văn tốt nghiệp của mình. Em xin chân thành cảm ơn các thầy,
cô giáo đã trực tiếp giảng dạy và trau dồi cho em những kiến thức quý giá trong
suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Em cũng xin chân thành gửi lời cám ơn sâu sắc đến TS. Hoàng Ngọc
Nhân, Viện nghiên cứu về Điện tử-Tin học-Tự động hóa- Bộ Công Thương đã
giúp đỡ em tiếp cận các nguồn tài liệu về công nghệ và các loại máy lọc dầu hiện
nay trong thị trường Việt Nam.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách
khoa Hà Nội, Viện Điện, Chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hoá và
các thầy cô Bộ môn Đo lường và Điều khiển đã tạo điều kiện thuận lợi giúp em
hoàn thiện luận văn này.
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài: Thiết kế mô đun điều khiển máy lọc dầu của máy biến áp lực, tích hợp
chức năng giám sát từ xa
Tác giả luận văn: Trịnh Anh Quốc Khóa: 2018B
Người hướng dẫn: PGS.TS. Hoàng Sỹ Hồng
Từ khóa (Keyword): máy lọc dầu máy biến áp, mô đun điều khiển, giám sát từ
xa.
Nội dung tóm tắt:
a) Lý do chọn đề tài
Dầu trong máy biến áp có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc cách
điện và làm mát máy biến áp, đặc biệt đối với máy biến áp công suất lớn.
Do tính chất quan trọng của dầu trong máy biến áp nên trong máy biến áp
cáo thế luôn có hệ thống giám sát dầu online để đo đạc các thông số về dầu
và cảnh báo sớm tình trạng của máy biến áp. Theo quy trình chế tạo, bảo
dưỡng, sửa chữa, thì dầu cách điện phải đáp ứng các thông số kỹ thuật cao
trước khi đưa vào máy biến áp như: hàm lượng nước trong dầu, hàm lượng
khí gas trong dầu, và điện áp đánh thủng phải đủ lớn. Do vậy, dầu trước khi
sử dụng phải được lọc để tách nước, khí gas, tăng điện áp đánh thủng…đảm
bảo rằng các thông số của dầu đáp ứng tốt cho máy biến áp. Với xu hướng
phát triển công nghệ thế giới, các hệ thống giám sát được tích hợp thêm các
chức năng như giám sát, điều khiển qua giao diện người – máy từ xa nhằm
nắm bắt được các sự cố tức thời, đảm bảo khoảng cách an toàn và linh hoạt.
Gần gũi với công việc đang làm, có cơ hội thuận lợi để tiếp cận và tìm
hiểu các loại máy lọc dầu biến áp trong các trạm điện.
b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận văn là thiết kế mô đun nhúng nhỏ gọn có
đầy đủ chức năng điều khiển và giám sát từ xa cho hệ thống máy lọc dầu
máy biến áp trong các trạm điện tại Việt Nam.
c) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả
Thời đại công nghệ tiên tiến hiện nay, một số máy lọc dầu vẫn còn sử
dụng công nghệ cũ chưa có tính tự động hóa cao, chức năng giám sát quá
trình lọc dầu còn lạc hậu. Tác giả đã cải tiến một hệ thống điều khiển quá
trình khép kín: có các cảm biến để giám sát quá trình hoạt động, có các van
đóng cắt cũng như điều chỉnh lưu lượng dầu để quá trình hoạt động được tốt
ưu nhất. Trung tâm điều khiển được gói gọn trong một mô đun điều khiển
nhỏ gọn và kinh tế, được tích hợp chức năng truyền thông không dây wifi
giúp người vận hành có thể điều khiển và giám sát từ xa qua internet.
d) Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu thiết kế một bộ điều khiển và truyền thông
qua wifi, cài đặt được các tham số điều khiển và giám sát bám sát thực tế
vận hành của hệ thống hiện hữu và mô phỏng lại để thực hiện điều chỉnh tối
ưu. Dựa trên các tài liệu kỹ thuật và quy trình vận hành thực tế của máy lọc
dầu để hiểu được công nghệ từ đó xây dựng được thuật toán điều khiển;
thiết kế và nâng cấp bộ điều khiển cho máy lọc dầu.
e) Kết luận
Luận văn cơ bản đã đáp ứng được các yêu cầu đặt ra bạn đầu. Các thiết
kế và mô phỏng được thực hiện thành công chạy đúng với bài toán đặt ra.
Từ các nghiên cứu trong luận văn này cho thấy việc ứng dụng công nghệ và
áp dụng cho hệ thống máy lọc dầu máy biến áp là hoàn toàn khả thi, mang
lại giá trị kinh tế và hiệu quả kĩ thuật cao. Phương pháp điều khiển giám sát
tự động và từ xa mang lại hiệu suất cao và an toàn hơn rất nhiều so với vận
hành thủ công.
Học viên thực hiện
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ MÁY LỌC DẦU ............................................ 1
1.1 Khái quát về máy lọc dầu .......................................................................... 1
1.2 Sơ đồ công nghệ của máy lọc dầu máy biến áp tiêu biểu .......................... 6
1.3 Kết luận chương ....................................................................................... 11
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY LỌC DẦU..................... 13
2.1 Các thiêt bị chính đang lắp trong máy lọc dầu ........................................ 13
Bơm dầu vào, bơm dầu ra ......................................................... 13
02 Bơm chân không SV 300B .................................................. 14
Cụm gia nhiệt ............................................................................ 14
2.2 Lựa chọn thiết bị cho bộ điều khiển máy lọc dầu MAS 4000 ................. 15
Cảm biến nhiệt độ PT100 và IC MAX31865. .......................... 15
Cảm biến lưu lượng dòng chảy................................................. 17
Cảm biến mức thấp, mức cao CR30 – 13DP ............................ 18
Cảm biến bọt VP03EP .............................................................. 19
Van điện từ xả bọt UNID.......................................................... 20
2.3 Thiết kế phần cứng................................................................................... 21
Tổng quan hệ thống điều khiển máy lọc dầu ............................ 21
Thiết kế mạch điều khiển nhúng............................................... 21
Danh sách tín hiệu vào/ra của MCU ......................................... 22
Khối nguồn ............................................................................... 23
Khối tín hiệu vào (Input) .......................................................... 24
Khối vi điều khiển trung tâm (MCU) ....................................... 25
Khối truyền thông Wi-fi ........................................................... 26
Khối tín hiệu ra (Ouput) ........................................................... 30
Thiết kế mạch in cho hệ thống .................................................. 33
2.4 Thiết kế phần mềm cho hệ thống ............................................................. 34
Yêu cầu của chương trình ......................................................... 34
Nguyên lý làm việc ................................................................... 34
Thiết kế phần mềm nhúng cho MCU ....................................... 35
Thiết kế phần mềm nhúng cho ESP8266 12E .......................... 37
Xây dựng bản tin giao tiếp cho hệ thống .................................. 40
2.5 Truyền nhận dữ liệu đám mây MQTT CLOUD ...................................... 41
2.6 Kết luận chương ....................................................................................... 42
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.............................................................. 43
3.1 Giao diện chọn chế độ .............................................................................. 43
3.2 Giao diện hệ điều khiển máy lọc dầu máy biến áp lực ............................ 44
Chế độ điều khiển bằng tay ....................................................... 44
Chế độ điều khiển tự động ........................................................ 50
Các cảnh báo của hệ thống........................................................ 54
3.3 Kết luận chương ....................................................................................... 55
Kết quả thiết kế mô đun nhúng ................................................. 55
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI................................ 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 58
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 60
1. Sơ đồ mạch lực hệ thống điều khiển máy lọc dầu MAS 4000 ................ 60
2. Lập trình điều khiển quá trình lọc dầu của MCU .................................. 68
3. Lập trình điều khiển khối truyền thông ESP8266 .................................. 72
4. Chương trình ngắt khi nhận được bản tin UART .................................. 74
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Máy biến áp dầu trong thực tế ................................................................ 1
Hình 1.2 Công tác lọc dầu thực tế tại trạm biến áp [2] .......................................... 2
Hình 1.3 Quy trình lọc dầu cơ bản ......................................................................... 2
Hình 1.4 Mô hình máy lọc dầu kết nối với máy biến áp [3] .................................. 4
Hình 1.5 Máy lọc dầu MAS4000-TEC .................................................................. 5
Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ máy lọc dầu MAXEI [4] ............................................. 6
Hình 1.7 Máy lọc dầu MAXEI [5] ......................................................................... 7
Hình 1.8 Sơ đồ công nghệ của máy lọc dầu KATO – KLVC [1] .......................... 7
Hình 1.9 Máy lọc dầu KATO - KLVC [6] ............................................................ 8
Hình 1.10 Sơ đồ công nghệ máy lọc dầu Globecore [7]........................................ 9
Hình 1.11 máy lọc dầu Globecore [1].................................................................. 10
Hình 2.1 Máy bơm dầu Speck ASK 2001 [1]...................................................... 13
Hình 2.2 Máy bơm chân không SV 300B [1] ...................................................... 14
Hình 2.3 Bộ điều khiển nhiệt độ E5CC – OMRON [1]....................................... 15
Hình 2.4 Cấu tạo cảm biến PT100 [8] ................................................................. 16
Hình 2.5 Kết nối đầu ra cho PT100 ..................................................................... 16
Hình 2.6 Mạch chuyển đổi tín hiệu RTD sang tín hiệu số MAX31865 .............. 17
Hình 2.7 Cảm biến lưu lượng dòng chảy ............................................................. 17
Hình 2.8 Cảm biến mức CR30-13DP [9] ............................................................ 18
Hình 2.9 Tín hiệu đầu ra của CR30- 15DP .......................................................... 19
Hình 2.10 Mã cảm biến VP03EP ......................................................................... 19
Hình 2.11 Van điện từ UNID ............................................................................... 20
Hình 2.12 Sơ đồ kết nối tổng quan hệ thống điều khiển máy lọc dầu ................. 21
Hình 2.13 Sơ đồ khối phần cứng ......................................................................... 22
Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ............................................................... 23
Hình 2.15 Sơ đồ khối đầu vào input .................................................................... 24
Hình 2.16 Kết nối giữa PT100, Digital MAX31865 và MCU ............................ 25
Hình 2.17 Hình ảnh thực tế vi điều khiển STM32F103C8T6 ............................ 25
Hình 2.18 Sơ đồ chân vi điều khiển STM32F103C8T6 ...................................... 26
Hình 2.19. Mô đun ESP8266 12E........................................................................ 27
Hình 2.20 Sơ đồ chân mô đun ESP8266 [12] ...................................................... 28
Hình 2.21 Khối mô đun wifi ESP8266 ................................................................ 28
Hình 2.22 Nguyên lý “Smart config” của ESP8266 ............................................ 29
Hình 2.23 Hiện tượng dội phím thường gặp ........................................................ 29
Hình 2.24 Thiết kế mạch reset chống dội phím ................................................... 30
Hình 2.25 Cấu tạo bên trong của ULN 2803 ....................................................... 31
Hình 2.26 Sơ đồ chân output đi qua ULN2803 ................................................... 31
Hình 2.27 Sơ đồ khối đầu ra Ouput ..................................................................... 32
Hình 2.28 Thiết kế mạch in 2 lớp dạng 2D .......................................................... 33
Hình 2.29 Thiết kế mạch in dạng 3D ................................................................... 33
Hình 2.30 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển ......................................... 35
Hình 2.31 Quá trình xử lý và truyền nhận dữ liệu của MCU .............................. 36
Hình 2.32 Đặc trưng của smartconfig của ESP8266 12E .................................... 38
Hình 2.33 Khung bản tin UDP mà ứng dụng ESP Touch gửi đi ......................... 38
Hình 2.34 Cài đặt mật khẩu wifi cho esp bằng ứng dụng Esptouch .................... 38
Hình 2.35 Lưu đồ thuật toán cho ESP8266 ......................................................... 39
Hình 2.36 Bản tin JSON gửi từ ESP8266 lên MQTT Cloud ............................... 40
Hình 2.37 Sơ đồ truyền tin của hệ thống điều khiển............................................ 41
Hình 3.1 Khung giao diện Panel MQTT Configuaration..................................... 43
Hình 3.2 Khung giao diện Control Panel ............................................................. 43
Hình 3.3 Khung giao diện System Alarm ............................................................ 43
Hình 3.4 Khung giao diện System Status ............................................................ 43
Hình 3.5 Cấu hình kết nối tới MQTT Cloud ........................................................ 44
Hình 3.6 Thông báo kết nối tới cloud thành công................................................ 44
Hình 3.7 Bản tin được hồi đáp khi kết nối thành công ........................................ 44
Hình 3.8 Khởi động hệ thống ở chế độ MANUAL ............................................. 45
Hình 3.9 Trạng thái của hệ thống ở chế độ MANUAL ....................................... 45
Hình 3.10 Khởi động bộ Cooler và bơm chân không Vac................................... 46
Hình 3.11 Khởi động bơm chân không Root ....................................................... 46
Hình 3.12 Khởi động bơm dầu vào ...................................................................... 47
Hình 3.13 Khởi động một bộ gia nhiệt ................................................................ 47
Hình 3.14 Khởi động 2 bộ gia nhiệt ..................................................................... 48
Hình 3.15 Khởi động bơm 2 để hút dầu ra........................................................... 48
Hình 3.16 Ngắt bơm dầu vào khi cảm biến mức cao tác động ............................ 49
Hình 3.17 Cả 2 bơm hoạt động khi mức dầu ổn định .......................................... 49
Hình 3.18 Ngắt bơm dầu ra nếu cảm biến mức thấp không tích cực ................... 50
Hình 3.19 Kích hoạt van xả bọt khí VE ............................................................... 50
Hình 3.20 Khởi động hệ thống ở chế độ Auto ..................................................... 51
Hình 3.21 Bộ gia nhiệt hoạt động ........................................................................ 51
Hình 3.22 Bơm dầu ra hoạt động ......................................................................... 52
Hình 3.23 Ngắt bơm dầu vào khi cảm biến mức cao tác động ............................ 52
Hình 3.24 Bơm dầu vào hoạt động trở lại ............................................................ 53
Hình 3.25 Ngắt bơm dầu ra khi mức dầu dưới mức thấp .................................... 53
Hình 3.26 Van điện tử VE hoạt động .................................................................. 53
Hình 3.27 Cảnh báo mức cao ............................................................................... 54
Hình 3.28 Cảnh báo quá nhiệt ............................................................................. 54
Hình 3.29 Cảnh báo thay phin lọc ....................................................................... 55
Hình 3.30 Hình ảnh mô đun thực tế..................................................................... 56
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật của dầu cách điện máy biến áp .................................. 3
Bảng 1.2 Tiêu chuẩn của dầu sau khi lọc .............................................................. 8
Bảng 2.1 Các thông số của máy bơm chân không SV 300B ............................... 14
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật cảm biến bọt............................................................ 19
Bảng 2.3 Danh sách tín hiệu vào/ra của MCU .................................................... 22
DANH MỤC THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT
Chữ cái viết tắt/ ký
Ý nghĩa
hiệu
HMI Giao diện người - máy
PLC Bộ điều khiển logic khả trình
MCU Vi điều khiển
IC Vi mạch tích hợp
RTD Nhiệt điện trở
Lưu trữ dữ liệu đám mây truyền nhận theo giao thức
MQTT cloud
MQTT
PCB Bảng mạch in hay bo mạch
SSID Tên định danh mạng wifi
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ MÁY LỌC DẦU
1.1 Khái quát về máy lọc dầu
Trong hệ thống truyền tải điện, máy biến áp là một thiết bị rất quan trọng
(hình.1.1). Khi xảy ra sự cố có thể ảnh hưởng đến việc sử dụng điện của cả một
khu vực. Vì vậy, việc đảm bảo trạng thái làm việc ổn định của máy biến áp là vô
vùng quan trọng. Môi trường dầu bên trong máy biến áp đóng vai trò quan trọng
vừa làm tăng độ bền cách điện, vừa hỗ trợ làm mát các cuộn dây. Nhưng đi kèm
với đó, thì dầu bên trong máy biến áp lại rất dễ bị mất và giảm thông số tiêu
chuẩn an toàn khi sử dụng trong thời gian dài. Lúc này, việc thay hoàn toàn dầu
trong máy biến áp tốn rất nhiều chi phí và nếu liên tục sử dụng thì đây cũng
không phải một giải pháp tối ưu. [1]
Hình 1.1 Máy biến áp dầu trong thực tế
Giải pháp hiệu quả hơn là tái sử dụng lại dầu máy biến áp đã qua sử dụng
sau khi được loại bỏ cặn bẩn, hơi nước và các khí hoà tan, giúp tiết kiệm nhiều
về chi phí và chất lượng dầu sau khi tái chế vẫn đáp ứng được các thông số an
toàn và tiêu chuẩn kỹ thuật theo quy định. Máy lọc dầu là một hệ thống thực hiện
quá trình lọc những thành phần không cần thiết ảnh hưởng tới chất lượng của
dầu, đạt được những tiêu chuẩn cần thiết cho dầu (hình 1.2). Cơ cấu về các sản
phẩm dầu phải đáp ứng được nhu cầu của thị trường, đảm bảo về chất lượng của
dầu theo tiêu chuẩn chất lượng đã quy định để sử dụng cho các thiết bị trong các
nhà máy, khu công nghiệp như: máy biến áp, turbin, …. Mục đích của máy lọc
dầu là loại bỏ các tạp chất như nước, các cặn bẩn, khí hòa tan, …có trong dầu để
đảm bảo quá trình vận hành tốt nhất cho thiết bị.
1
Hình 1.2 Công tác lọc dầu thực tế tại trạm biến áp [2]
Các tính chất của dầu trước khi được xử lý, lọc:
- Dầu trước khi lọc có chứa nhiều các cặn bẩn, không đạt tiêu chuẩn về
độ nhớt và điện áp đánh thủng.
- Trong dầu có chứa hàm lượng nước và các khí hòa tan gây ảnh hưởng
nhất định đến chất lượng của dầu làm cho quá trình hoạt động của các
thiết bị không được an toàn, không hoạt động được với công suất tốt
nhất.
- Trong dầu chưa được xử lý có thể chứa các hợp chất lưu (như H2S,
...). Những hợp chất lưu huỳnh này sẽ tác dụng với kim loại có trong
dầu đặc biệt đối với đồng (Cu) gây ra sự ăn mòn.
Quy trình của một máy lọc dầu cơ bản (hình 1.3):
Hình 1.3 Quy trình lọc dầu cơ bản
Dầu được hút từ máy biến áp rồi đưa đến bộ gia nhiệt (làm nóng dầu).
Trong bộ gia nhiệt dầu được làm nóng lên đến nhiệt độ quy định từ 500C đến
700C (tùy từng loại máy, hãng sản xuất). Sau đó được đưa vào bình chân không
bằng đầu phun sương (hoặc các yếu tố phân tán) để tạo tối đa sự tiếp xúc của dầu
2
với chân không trong bình. Nước trong dầu sẽ bốc hơi và được hút vào bình
ngưng để chuyển đổi nước từ thể hơi sang thể lỏng rồi được bơm vào bình chứa.
Dầu sau khi được khử nước sẽ được đưa ra bằng bơm xả. Dầu sẽ được đưa qua
bộ lọc hạt có hiệu suất cao và được đưa trở lại hệ thống cần sử dụng.
Có thể phân loại máy lọc dầu theo chức năng hoặc theo đối tượng ứng dụng
trong đó theo chức năng có: Máy lọc dầu ly tâm: lọc cặn; Phin lọc: lọc cặn; Hấp
thụ nước: làm lượng nước có trong dầu giảm, theo đối tượng có: Máy lọc dầu
máy biến áp; Máy lọc dầu Turbin. [1]
Trong nghiên cứu này học viên sẽ nghiên cứu về máy lọc dầu theo đối
tượng: máy lọc dầu cho máy biến áp lực.
Tại sao phải lọc dầu cho máy biến áp?
- Dầu trước khi lọc có chứa hàm lượng cao các chất khí hòa tan như: H2,
CO, CO2, O2, N2, CH4, CH2, C2H2, C2H6. Trong quá trình hoạt động của máy
biến áp, các chất này có trong dầu sẽ tạo ra phản ứng hóa học dẫn đến sự cố
nghiêm trọng trong máy biến áp (phóng điện cục bộ, hồ quang và tăng nhiệt cục
bộ).
- Đo hàm lượng nước, acid, độ nhiễm bẩn và cường độ điện trường đánh
thủng của dầu, để đưa ra tình trạng tổng quan của dầu và các bộ phận của máy
biến áp bên trong dầu. Chất lượng của dầu đóng vai trò quan trọng trong việc
ngăn ngừa sự xuống cấp của dầu cách điện và kéo dài tuổi thọ máy biến áp.
- Dầu sử dụng trong máy biến áp thường là dầu khoáng. Trong dầu có thể
chứa các hợp chất của S (lưu huỳnh), phần lớn sẽ bị loại bỏ trong quá trình tinh
chế. Tuy nhiên vẫn còn sót lại lượng rất nhỏ. Những hợp chất lưu huỳnh này sẽ
tác dụng với kim loại có trong dầu đặc biệt đối với đồng, gây ra sự ăn mòn giấy
cách điện và ăn mòn thanh đồng (cuộn dây) trong máy biến áp.
Dầu sử dụng cho máy biến áp phải đáp ứng được những yêu cầu sau:
Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật của dầu cách điện máy biến áp
STT Hạng mục Đơn vị Yêu cầu
1 Tiêu chuẩn áp dụng IEC 60296
2 Độ nhớt, ở 400C mm2 <= 9,2
3 Quan sát bên ngoài Trong, sáng không có nước
và tạp chất
4 Điểm chớp cháy
0
+ Cốc hở C >= 148
0
+ Cốc kín C >= 144
5 Hàm lượng nước ppm <= 30
3
6 Điện thế đánh thủng
+ Trước khi lọc kV >= 35
+ Sau khi lọc kV >= 70
- Dầu cho máy biến áp thường có thời gian sử dụng kéo dài nhờ khả năng
chống oxi hóa, chống lại sự hình thành cặn, độ ổn định nhiệt độ tốt giúp cho dầu
tăng khả năng chịu tải trọng nhiệt cao giúp tiết kiệm chi phí bảo dưỡng.
- Có tính cách điện cao.
- Độ nhớt thấp giúp giải nhiệt tốt.
- Khả năng chống oxy hóa tốt -> kéo dài tuổi thọ dầu.
- Điểm chớp cháy cao nên tránh được nguy cơ cháy nổ.
- Khả năng tách nhũ tốt, đảm bảo tách nước hoàn toàn trong trường hợp dầu
bị nhiễm nước.
- Hoàn toàn không lẫn tạp chất như khí hòa tan, nước hoặc chất rắn dạng
huyền phù.
Với những tiêu chuẩn và quy định về chất lượng của dầu cho máy biến áp
nêu trên thì máy lọc dầu máy biến áp sẽ cho ra sản phẩm dầu đúng với quy định
về chất lượng cũng như độ an toàn của dầu khi sử dụng cho máy biến áp. Cùng
với hàng loạt các quy trình, công nghệ lọc và xử lý dầu hiện đại để cho ra một
sản phẩm dầu tốt nhất.
Mô hình máy lọc dầu kết nối trực tiếp với máy biến áp như hình 1.4. Quá
trình lọc được lặp đi lặp lại cho đến khi dầu đạt được tiêu chuẩn sử dụng trong
máy biến áp. Để đạt được thông số theo yêu cầu của dầu sử dụng cho máy biến
áp, máy lọc dầu phải được nối với máy biến áp và lọc theo hình thức đối lưu.
Hình 1.4 Mô hình máy lọc dầu kết nối với máy biến áp [3]
Ví dụ: Máy lọc dầu online MAS4000 – TEC:
- Tính năng: Lọc dầu khi máy biến áp vẫn hoạt động bình thường.
4
- Thông số kỹ thuật:
+ Công nghệ TEC
+ Lưu lượng có thể thay đổi từ 2000 – 4000 l/giờ lọc online và từ 1000 –
4000 l/giờ offline.
+ Công suất gia nhiệt: 64 kW
Hình 1.5 Máy lọc dầu MAS4000-TEC
+ Tốc độ tăng nhiệt ở lưu lượng biểu kiến: 270C
+ Công suất tổng: 74kW
+ Phin lọc: Luôn đạt 95 %
+ Đo áp suất chân không bằng cảm biến pirani
+ Lưu lượng bơm chân không 180 m3/giờ.
+ Có hệ thống ống nối với máy biến áp, hệ thống van, các cảm biến đo
lường, điều khiển, cảnh báo, kiểu ống nối Guillemin DN40.
+ Một bình khử khí an toàn để bảo vệ máy biến áp.
+ Ba van cách ly (cao, thấp và truyền qua) và phụ kiện nối với MBA.
+ Kiểm soát liên tục nhiệt độ của dầu vào trước khử khí.
+ Kiểm soát liên tục việc quá áp trong hệ thống đường ống bởi bộ điều
khiển áp suất, van giảm áp.
+ Đo lưu lượng dầu vào kết hợp với van tỷ lệ trước khi dầu đi vào bình
khử khí để đảm bảo dầu vào một cách liên tục điều khiển bằng PLC.
+ Liên tục giám sát mức dầu trong bình chứa của máy biến áp để bảo vệ
máy biến áp.
+ Tự động điều chỉnh bọt khí trong bình tách khí.
5
+ Điều khiển từ xa của các bộ lọc khi bị tắc nghẽn với cảm biến chênh áp.
+ Triệt tiêu hoàn toàn khí tự do và bọt khí tại đầu ra của máy lọc dầu.
+ Kiểm soát chân không với bộ đo chân không và áp kế.
+ Có máy khí nén độc lập.
+ Có kính để giám sát dòng chảy dầu tại đầu ra máy.
+ Khởi động tuần tự và tự khởi động lại quá trình lọc.
+ Có bình tách hơi nước và khí.
+ Có bình tách khí độc lập nhằm bỏ khí còn lại trong dầu trước khi đưa
vào máy biến áp. [1]
1.2 Sơ đồ công nghệ của máy lọc dầu máy biến áp tiêu biểu
Hiện nay trên thế giới đã có các hãng sản xuất máy lọc dầu cho máy biến áp
như MAXEI (Pháp), KATO (Nhật), Globecore (Ukaine) đều có bán trên thị
trường. Mỗi hãng đều có các đặc điểm và công nghệ khác nhau nhưng đều theo
một quy trình lọc dầu nhất định.
Sơ đồ công nghệ máy lọc dầu Maxei
Sơ đồ công nghệ của máy lọc dầu Maxei như hình 1.6 và hình ảnh thực tế
của máy lọc dầu Maxei hình 1.7.
Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ máy lọc dầu MAXEI [4]
Dầu sẽ được tách các cặn bẩn bởi các phin lọc thô và phin lọc tình, mắt lọc
càng bé thì chất lượng dầu càng tốt, tuy nhiên nó sẽ ảnh hưởng đến lưu lượng của
dầu. Thông thường bộ lọc thô là các lưới lọc, và bộ lọc tinh với kích thước mắt
lọc 1µm.
6
Để tách khí và hơi nước trong dầu, ta dùng công nghệ chân không, dầu sẽ
được gia nhiệt, theo các nghiên cứu và thực tiễn thì nhiệt độ gia nhiệt nên ở 700C.
Nếu nhiệt độ tăng thêm thì việc tách nước và khí hòa tan trong dầu nhanh hơn,
tuy nhiên dầu dễ bị lão hóa. Nếu nhiệt độ thấp thì việc tách nước và khí hòa sẽ
chậm hơn, dầu khó đạt được các thông số yêu cầu. Dầu được làm nóng sẽ được
dẫn vào buồng chân không dưới dạng đầu phun sương. Khí hòa tan và hơi nước
sẽ được tách ra đi theo đường hút chân không ra ngoài. Dầu sau khi lọc được đưa
ra ngoài qua hệ thống bơm dầu ra. Quá trình lọc được thực hiện một cách tuần
hoàn, đến khi dầu sau khi lọc đạt được các thông số như yêu cầu.
Hình 1.7 Máy lọc dầu MAXEI [5]
Sơ đồ công nghệ máy lọc dầu Kato (hình 1.8):
Hình 1.8 Sơ đồ công nghệ của máy lọc dầu KATO – KLVC [1]
Máy lọc dầu chân không KATO có sẵn trong 4 mô hình cơ bản: KLV-LAX,
KLVC-AX, KLVC-AX-I, và KLVC-AX-II với công suất lọc từ 500 l/giờ đến
20000 l/giờ.
7
Ứng dụng: Máy biến áp (dầu cách điện), máy bơm chân không, máy nén,
các bộ phận thủy lực, dầu silicon, dầu tuabin.
Các tính năng tiêu chuẩn:
- Bộ gia nhiệt mật độ thấp.
- Hệ thống chân không đơn hoặc hai giai đoạn với động cơ làm mát
bằng quạt tuần hoàn kín (TEFC).
- Buồng chân không với thiết kế hiệu quả với diện tích bay hơi lớn.
- Các thiết bị cảm biến bảo vệ hệ thống.
- Báo động áp suất cao.
- Mức dầu cao báo động trong buồng chân không.
- Mức độ bọt cao báo động trong buồng chân không.
Hình 1.9 Máy lọc dầu KATO - KLVC [6]
Tiêu chuẩn của dầu biến áp sau khi lọc theo hãng KATO:
Ban Kết quả sau 1 lần lọc Kết quả sau 3 lần lọc
dầu
(No -I -II (No -I -II
mask) mask)
Nước trong 50 10 5 2-3 5 2 1
dầu
(ppm)
Khí (Vol%) 10 0,25 0,1 0,05 0,1 0,01 0,01
Điện áp 30 60 70 80 70 80 90
đánh thủng
(kV)
Bảng 1.2 Tiêu chuẩn của dầu sau khi lọc
8
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thiết kế mô đun điều khiển máy lọc dầu
của máy biến áp lực, tích hợp chức năng
giám sát từ xa
TRỊNH ANH QUỐC
[email protected]
Ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hoá
Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Hoàng Sỹ Hồng
Chữ ký của GVHD
Viện: Điện
HÀ NỘI - 2020
Lời cảm ơn
Đầu tiên, Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS. TS. Hoàng Sỹ Hồng,
người hướng dẫn trực tiếp em thực hiện đề tài này. Thầy đã có những định
hướng, hướng dẫn, chỉ bảo và trao đổi với em trong suốt quá trình học tập,
nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội, cũng như trong suốt thời gian
em thực hiện luận văn tốt nghiệp của mình. Em xin chân thành cảm ơn các thầy,
cô giáo đã trực tiếp giảng dạy và trau dồi cho em những kiến thức quý giá trong
suốt quá trình học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Em cũng xin chân thành gửi lời cám ơn sâu sắc đến TS. Hoàng Ngọc
Nhân, Viện nghiên cứu về Điện tử-Tin học-Tự động hóa- Bộ Công Thương đã
giúp đỡ em tiếp cận các nguồn tài liệu về công nghệ và các loại máy lọc dầu hiện
nay trong thị trường Việt Nam.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách
khoa Hà Nội, Viện Điện, Chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hoá và
các thầy cô Bộ môn Đo lường và Điều khiển đã tạo điều kiện thuận lợi giúp em
hoàn thiện luận văn này.
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài: Thiết kế mô đun điều khiển máy lọc dầu của máy biến áp lực, tích hợp
chức năng giám sát từ xa
Tác giả luận văn: Trịnh Anh Quốc Khóa: 2018B
Người hướng dẫn: PGS.TS. Hoàng Sỹ Hồng
Từ khóa (Keyword): máy lọc dầu máy biến áp, mô đun điều khiển, giám sát từ
xa.
Nội dung tóm tắt:
a) Lý do chọn đề tài
Dầu trong máy biến áp có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc cách
điện và làm mát máy biến áp, đặc biệt đối với máy biến áp công suất lớn.
Do tính chất quan trọng của dầu trong máy biến áp nên trong máy biến áp
cáo thế luôn có hệ thống giám sát dầu online để đo đạc các thông số về dầu
và cảnh báo sớm tình trạng của máy biến áp. Theo quy trình chế tạo, bảo
dưỡng, sửa chữa, thì dầu cách điện phải đáp ứng các thông số kỹ thuật cao
trước khi đưa vào máy biến áp như: hàm lượng nước trong dầu, hàm lượng
khí gas trong dầu, và điện áp đánh thủng phải đủ lớn. Do vậy, dầu trước khi
sử dụng phải được lọc để tách nước, khí gas, tăng điện áp đánh thủng…đảm
bảo rằng các thông số của dầu đáp ứng tốt cho máy biến áp. Với xu hướng
phát triển công nghệ thế giới, các hệ thống giám sát được tích hợp thêm các
chức năng như giám sát, điều khiển qua giao diện người – máy từ xa nhằm
nắm bắt được các sự cố tức thời, đảm bảo khoảng cách an toàn và linh hoạt.
Gần gũi với công việc đang làm, có cơ hội thuận lợi để tiếp cận và tìm
hiểu các loại máy lọc dầu biến áp trong các trạm điện.
b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận văn là thiết kế mô đun nhúng nhỏ gọn có
đầy đủ chức năng điều khiển và giám sát từ xa cho hệ thống máy lọc dầu
máy biến áp trong các trạm điện tại Việt Nam.
c) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả
Thời đại công nghệ tiên tiến hiện nay, một số máy lọc dầu vẫn còn sử
dụng công nghệ cũ chưa có tính tự động hóa cao, chức năng giám sát quá
trình lọc dầu còn lạc hậu. Tác giả đã cải tiến một hệ thống điều khiển quá
trình khép kín: có các cảm biến để giám sát quá trình hoạt động, có các van
đóng cắt cũng như điều chỉnh lưu lượng dầu để quá trình hoạt động được tốt
ưu nhất. Trung tâm điều khiển được gói gọn trong một mô đun điều khiển
nhỏ gọn và kinh tế, được tích hợp chức năng truyền thông không dây wifi
giúp người vận hành có thể điều khiển và giám sát từ xa qua internet.
d) Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu thiết kế một bộ điều khiển và truyền thông
qua wifi, cài đặt được các tham số điều khiển và giám sát bám sát thực tế
vận hành của hệ thống hiện hữu và mô phỏng lại để thực hiện điều chỉnh tối
ưu. Dựa trên các tài liệu kỹ thuật và quy trình vận hành thực tế của máy lọc
dầu để hiểu được công nghệ từ đó xây dựng được thuật toán điều khiển;
thiết kế và nâng cấp bộ điều khiển cho máy lọc dầu.
e) Kết luận
Luận văn cơ bản đã đáp ứng được các yêu cầu đặt ra bạn đầu. Các thiết
kế và mô phỏng được thực hiện thành công chạy đúng với bài toán đặt ra.
Từ các nghiên cứu trong luận văn này cho thấy việc ứng dụng công nghệ và
áp dụng cho hệ thống máy lọc dầu máy biến áp là hoàn toàn khả thi, mang
lại giá trị kinh tế và hiệu quả kĩ thuật cao. Phương pháp điều khiển giám sát
tự động và từ xa mang lại hiệu suất cao và an toàn hơn rất nhiều so với vận
hành thủ công.
Học viên thực hiện
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ MÁY LỌC DẦU ............................................ 1
1.1 Khái quát về máy lọc dầu .......................................................................... 1
1.2 Sơ đồ công nghệ của máy lọc dầu máy biến áp tiêu biểu .......................... 6
1.3 Kết luận chương ....................................................................................... 11
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY LỌC DẦU..................... 13
2.1 Các thiêt bị chính đang lắp trong máy lọc dầu ........................................ 13
Bơm dầu vào, bơm dầu ra ......................................................... 13
02 Bơm chân không SV 300B .................................................. 14
Cụm gia nhiệt ............................................................................ 14
2.2 Lựa chọn thiết bị cho bộ điều khiển máy lọc dầu MAS 4000 ................. 15
Cảm biến nhiệt độ PT100 và IC MAX31865. .......................... 15
Cảm biến lưu lượng dòng chảy................................................. 17
Cảm biến mức thấp, mức cao CR30 – 13DP ............................ 18
Cảm biến bọt VP03EP .............................................................. 19
Van điện từ xả bọt UNID.......................................................... 20
2.3 Thiết kế phần cứng................................................................................... 21
Tổng quan hệ thống điều khiển máy lọc dầu ............................ 21
Thiết kế mạch điều khiển nhúng............................................... 21
Danh sách tín hiệu vào/ra của MCU ......................................... 22
Khối nguồn ............................................................................... 23
Khối tín hiệu vào (Input) .......................................................... 24
Khối vi điều khiển trung tâm (MCU) ....................................... 25
Khối truyền thông Wi-fi ........................................................... 26
Khối tín hiệu ra (Ouput) ........................................................... 30
Thiết kế mạch in cho hệ thống .................................................. 33
2.4 Thiết kế phần mềm cho hệ thống ............................................................. 34
Yêu cầu của chương trình ......................................................... 34
Nguyên lý làm việc ................................................................... 34
Thiết kế phần mềm nhúng cho MCU ....................................... 35
Thiết kế phần mềm nhúng cho ESP8266 12E .......................... 37
Xây dựng bản tin giao tiếp cho hệ thống .................................. 40
2.5 Truyền nhận dữ liệu đám mây MQTT CLOUD ...................................... 41
2.6 Kết luận chương ....................................................................................... 42
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.............................................................. 43
3.1 Giao diện chọn chế độ .............................................................................. 43
3.2 Giao diện hệ điều khiển máy lọc dầu máy biến áp lực ............................ 44
Chế độ điều khiển bằng tay ....................................................... 44
Chế độ điều khiển tự động ........................................................ 50
Các cảnh báo của hệ thống........................................................ 54
3.3 Kết luận chương ....................................................................................... 55
Kết quả thiết kế mô đun nhúng ................................................. 55
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI................................ 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 58
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 60
1. Sơ đồ mạch lực hệ thống điều khiển máy lọc dầu MAS 4000 ................ 60
2. Lập trình điều khiển quá trình lọc dầu của MCU .................................. 68
3. Lập trình điều khiển khối truyền thông ESP8266 .................................. 72
4. Chương trình ngắt khi nhận được bản tin UART .................................. 74
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Máy biến áp dầu trong thực tế ................................................................ 1
Hình 1.2 Công tác lọc dầu thực tế tại trạm biến áp [2] .......................................... 2
Hình 1.3 Quy trình lọc dầu cơ bản ......................................................................... 2
Hình 1.4 Mô hình máy lọc dầu kết nối với máy biến áp [3] .................................. 4
Hình 1.5 Máy lọc dầu MAS4000-TEC .................................................................. 5
Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ máy lọc dầu MAXEI [4] ............................................. 6
Hình 1.7 Máy lọc dầu MAXEI [5] ......................................................................... 7
Hình 1.8 Sơ đồ công nghệ của máy lọc dầu KATO – KLVC [1] .......................... 7
Hình 1.9 Máy lọc dầu KATO - KLVC [6] ............................................................ 8
Hình 1.10 Sơ đồ công nghệ máy lọc dầu Globecore [7]........................................ 9
Hình 1.11 máy lọc dầu Globecore [1].................................................................. 10
Hình 2.1 Máy bơm dầu Speck ASK 2001 [1]...................................................... 13
Hình 2.2 Máy bơm chân không SV 300B [1] ...................................................... 14
Hình 2.3 Bộ điều khiển nhiệt độ E5CC – OMRON [1]....................................... 15
Hình 2.4 Cấu tạo cảm biến PT100 [8] ................................................................. 16
Hình 2.5 Kết nối đầu ra cho PT100 ..................................................................... 16
Hình 2.6 Mạch chuyển đổi tín hiệu RTD sang tín hiệu số MAX31865 .............. 17
Hình 2.7 Cảm biến lưu lượng dòng chảy ............................................................. 17
Hình 2.8 Cảm biến mức CR30-13DP [9] ............................................................ 18
Hình 2.9 Tín hiệu đầu ra của CR30- 15DP .......................................................... 19
Hình 2.10 Mã cảm biến VP03EP ......................................................................... 19
Hình 2.11 Van điện từ UNID ............................................................................... 20
Hình 2.12 Sơ đồ kết nối tổng quan hệ thống điều khiển máy lọc dầu ................. 21
Hình 2.13 Sơ đồ khối phần cứng ......................................................................... 22
Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ............................................................... 23
Hình 2.15 Sơ đồ khối đầu vào input .................................................................... 24
Hình 2.16 Kết nối giữa PT100, Digital MAX31865 và MCU ............................ 25
Hình 2.17 Hình ảnh thực tế vi điều khiển STM32F103C8T6 ............................ 25
Hình 2.18 Sơ đồ chân vi điều khiển STM32F103C8T6 ...................................... 26
Hình 2.19. Mô đun ESP8266 12E........................................................................ 27
Hình 2.20 Sơ đồ chân mô đun ESP8266 [12] ...................................................... 28
Hình 2.21 Khối mô đun wifi ESP8266 ................................................................ 28
Hình 2.22 Nguyên lý “Smart config” của ESP8266 ............................................ 29
Hình 2.23 Hiện tượng dội phím thường gặp ........................................................ 29
Hình 2.24 Thiết kế mạch reset chống dội phím ................................................... 30
Hình 2.25 Cấu tạo bên trong của ULN 2803 ....................................................... 31
Hình 2.26 Sơ đồ chân output đi qua ULN2803 ................................................... 31
Hình 2.27 Sơ đồ khối đầu ra Ouput ..................................................................... 32
Hình 2.28 Thiết kế mạch in 2 lớp dạng 2D .......................................................... 33
Hình 2.29 Thiết kế mạch in dạng 3D ................................................................... 33
Hình 2.30 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển ......................................... 35
Hình 2.31 Quá trình xử lý và truyền nhận dữ liệu của MCU .............................. 36
Hình 2.32 Đặc trưng của smartconfig của ESP8266 12E .................................... 38
Hình 2.33 Khung bản tin UDP mà ứng dụng ESP Touch gửi đi ......................... 38
Hình 2.34 Cài đặt mật khẩu wifi cho esp bằng ứng dụng Esptouch .................... 38
Hình 2.35 Lưu đồ thuật toán cho ESP8266 ......................................................... 39
Hình 2.36 Bản tin JSON gửi từ ESP8266 lên MQTT Cloud ............................... 40
Hình 2.37 Sơ đồ truyền tin của hệ thống điều khiển............................................ 41
Hình 3.1 Khung giao diện Panel MQTT Configuaration..................................... 43
Hình 3.2 Khung giao diện Control Panel ............................................................. 43
Hình 3.3 Khung giao diện System Alarm ............................................................ 43
Hình 3.4 Khung giao diện System Status ............................................................ 43
Hình 3.5 Cấu hình kết nối tới MQTT Cloud ........................................................ 44
Hình 3.6 Thông báo kết nối tới cloud thành công................................................ 44
Hình 3.7 Bản tin được hồi đáp khi kết nối thành công ........................................ 44
Hình 3.8 Khởi động hệ thống ở chế độ MANUAL ............................................. 45
Hình 3.9 Trạng thái của hệ thống ở chế độ MANUAL ....................................... 45
Hình 3.10 Khởi động bộ Cooler và bơm chân không Vac................................... 46
Hình 3.11 Khởi động bơm chân không Root ....................................................... 46
Hình 3.12 Khởi động bơm dầu vào ...................................................................... 47
Hình 3.13 Khởi động một bộ gia nhiệt ................................................................ 47
Hình 3.14 Khởi động 2 bộ gia nhiệt ..................................................................... 48
Hình 3.15 Khởi động bơm 2 để hút dầu ra........................................................... 48
Hình 3.16 Ngắt bơm dầu vào khi cảm biến mức cao tác động ............................ 49
Hình 3.17 Cả 2 bơm hoạt động khi mức dầu ổn định .......................................... 49
Hình 3.18 Ngắt bơm dầu ra nếu cảm biến mức thấp không tích cực ................... 50
Hình 3.19 Kích hoạt van xả bọt khí VE ............................................................... 50
Hình 3.20 Khởi động hệ thống ở chế độ Auto ..................................................... 51
Hình 3.21 Bộ gia nhiệt hoạt động ........................................................................ 51
Hình 3.22 Bơm dầu ra hoạt động ......................................................................... 52
Hình 3.23 Ngắt bơm dầu vào khi cảm biến mức cao tác động ............................ 52
Hình 3.24 Bơm dầu vào hoạt động trở lại ............................................................ 53
Hình 3.25 Ngắt bơm dầu ra khi mức dầu dưới mức thấp .................................... 53
Hình 3.26 Van điện tử VE hoạt động .................................................................. 53
Hình 3.27 Cảnh báo mức cao ............................................................................... 54
Hình 3.28 Cảnh báo quá nhiệt ............................................................................. 54
Hình 3.29 Cảnh báo thay phin lọc ....................................................................... 55
Hình 3.30 Hình ảnh mô đun thực tế..................................................................... 56
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật của dầu cách điện máy biến áp .................................. 3
Bảng 1.2 Tiêu chuẩn của dầu sau khi lọc .............................................................. 8
Bảng 2.1 Các thông số của máy bơm chân không SV 300B ............................... 14
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật cảm biến bọt............................................................ 19
Bảng 2.3 Danh sách tín hiệu vào/ra của MCU .................................................... 22
DANH MỤC THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT
Chữ cái viết tắt/ ký
Ý nghĩa
hiệu
HMI Giao diện người - máy
PLC Bộ điều khiển logic khả trình
MCU Vi điều khiển
IC Vi mạch tích hợp
RTD Nhiệt điện trở
Lưu trữ dữ liệu đám mây truyền nhận theo giao thức
MQTT cloud
MQTT
PCB Bảng mạch in hay bo mạch
SSID Tên định danh mạng wifi
CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ MÁY LỌC DẦU
1.1 Khái quát về máy lọc dầu
Trong hệ thống truyền tải điện, máy biến áp là một thiết bị rất quan trọng
(hình.1.1). Khi xảy ra sự cố có thể ảnh hưởng đến việc sử dụng điện của cả một
khu vực. Vì vậy, việc đảm bảo trạng thái làm việc ổn định của máy biến áp là vô
vùng quan trọng. Môi trường dầu bên trong máy biến áp đóng vai trò quan trọng
vừa làm tăng độ bền cách điện, vừa hỗ trợ làm mát các cuộn dây. Nhưng đi kèm
với đó, thì dầu bên trong máy biến áp lại rất dễ bị mất và giảm thông số tiêu
chuẩn an toàn khi sử dụng trong thời gian dài. Lúc này, việc thay hoàn toàn dầu
trong máy biến áp tốn rất nhiều chi phí và nếu liên tục sử dụng thì đây cũng
không phải một giải pháp tối ưu. [1]
Hình 1.1 Máy biến áp dầu trong thực tế
Giải pháp hiệu quả hơn là tái sử dụng lại dầu máy biến áp đã qua sử dụng
sau khi được loại bỏ cặn bẩn, hơi nước và các khí hoà tan, giúp tiết kiệm nhiều
về chi phí và chất lượng dầu sau khi tái chế vẫn đáp ứng được các thông số an
toàn và tiêu chuẩn kỹ thuật theo quy định. Máy lọc dầu là một hệ thống thực hiện
quá trình lọc những thành phần không cần thiết ảnh hưởng tới chất lượng của
dầu, đạt được những tiêu chuẩn cần thiết cho dầu (hình 1.2). Cơ cấu về các sản
phẩm dầu phải đáp ứng được nhu cầu của thị trường, đảm bảo về chất lượng của
dầu theo tiêu chuẩn chất lượng đã quy định để sử dụng cho các thiết bị trong các
nhà máy, khu công nghiệp như: máy biến áp, turbin, …. Mục đích của máy lọc
dầu là loại bỏ các tạp chất như nước, các cặn bẩn, khí hòa tan, …có trong dầu để
đảm bảo quá trình vận hành tốt nhất cho thiết bị.
1
Hình 1.2 Công tác lọc dầu thực tế tại trạm biến áp [2]
Các tính chất của dầu trước khi được xử lý, lọc:
- Dầu trước khi lọc có chứa nhiều các cặn bẩn, không đạt tiêu chuẩn về
độ nhớt và điện áp đánh thủng.
- Trong dầu có chứa hàm lượng nước và các khí hòa tan gây ảnh hưởng
nhất định đến chất lượng của dầu làm cho quá trình hoạt động của các
thiết bị không được an toàn, không hoạt động được với công suất tốt
nhất.
- Trong dầu chưa được xử lý có thể chứa các hợp chất lưu (như H2S,
...). Những hợp chất lưu huỳnh này sẽ tác dụng với kim loại có trong
dầu đặc biệt đối với đồng (Cu) gây ra sự ăn mòn.
Quy trình của một máy lọc dầu cơ bản (hình 1.3):
Hình 1.3 Quy trình lọc dầu cơ bản
Dầu được hút từ máy biến áp rồi đưa đến bộ gia nhiệt (làm nóng dầu).
Trong bộ gia nhiệt dầu được làm nóng lên đến nhiệt độ quy định từ 500C đến
700C (tùy từng loại máy, hãng sản xuất). Sau đó được đưa vào bình chân không
bằng đầu phun sương (hoặc các yếu tố phân tán) để tạo tối đa sự tiếp xúc của dầu
2
với chân không trong bình. Nước trong dầu sẽ bốc hơi và được hút vào bình
ngưng để chuyển đổi nước từ thể hơi sang thể lỏng rồi được bơm vào bình chứa.
Dầu sau khi được khử nước sẽ được đưa ra bằng bơm xả. Dầu sẽ được đưa qua
bộ lọc hạt có hiệu suất cao và được đưa trở lại hệ thống cần sử dụng.
Có thể phân loại máy lọc dầu theo chức năng hoặc theo đối tượng ứng dụng
trong đó theo chức năng có: Máy lọc dầu ly tâm: lọc cặn; Phin lọc: lọc cặn; Hấp
thụ nước: làm lượng nước có trong dầu giảm, theo đối tượng có: Máy lọc dầu
máy biến áp; Máy lọc dầu Turbin. [1]
Trong nghiên cứu này học viên sẽ nghiên cứu về máy lọc dầu theo đối
tượng: máy lọc dầu cho máy biến áp lực.
Tại sao phải lọc dầu cho máy biến áp?
- Dầu trước khi lọc có chứa hàm lượng cao các chất khí hòa tan như: H2,
CO, CO2, O2, N2, CH4, CH2, C2H2, C2H6. Trong quá trình hoạt động của máy
biến áp, các chất này có trong dầu sẽ tạo ra phản ứng hóa học dẫn đến sự cố
nghiêm trọng trong máy biến áp (phóng điện cục bộ, hồ quang và tăng nhiệt cục
bộ).
- Đo hàm lượng nước, acid, độ nhiễm bẩn và cường độ điện trường đánh
thủng của dầu, để đưa ra tình trạng tổng quan của dầu và các bộ phận của máy
biến áp bên trong dầu. Chất lượng của dầu đóng vai trò quan trọng trong việc
ngăn ngừa sự xuống cấp của dầu cách điện và kéo dài tuổi thọ máy biến áp.
- Dầu sử dụng trong máy biến áp thường là dầu khoáng. Trong dầu có thể
chứa các hợp chất của S (lưu huỳnh), phần lớn sẽ bị loại bỏ trong quá trình tinh
chế. Tuy nhiên vẫn còn sót lại lượng rất nhỏ. Những hợp chất lưu huỳnh này sẽ
tác dụng với kim loại có trong dầu đặc biệt đối với đồng, gây ra sự ăn mòn giấy
cách điện và ăn mòn thanh đồng (cuộn dây) trong máy biến áp.
Dầu sử dụng cho máy biến áp phải đáp ứng được những yêu cầu sau:
Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật của dầu cách điện máy biến áp
STT Hạng mục Đơn vị Yêu cầu
1 Tiêu chuẩn áp dụng IEC 60296
2 Độ nhớt, ở 400C mm2 <= 9,2
3 Quan sát bên ngoài Trong, sáng không có nước
và tạp chất
4 Điểm chớp cháy
0
+ Cốc hở C >= 148
0
+ Cốc kín C >= 144
5 Hàm lượng nước ppm <= 30
3
6 Điện thế đánh thủng
+ Trước khi lọc kV >= 35
+ Sau khi lọc kV >= 70
- Dầu cho máy biến áp thường có thời gian sử dụng kéo dài nhờ khả năng
chống oxi hóa, chống lại sự hình thành cặn, độ ổn định nhiệt độ tốt giúp cho dầu
tăng khả năng chịu tải trọng nhiệt cao giúp tiết kiệm chi phí bảo dưỡng.
- Có tính cách điện cao.
- Độ nhớt thấp giúp giải nhiệt tốt.
- Khả năng chống oxy hóa tốt -> kéo dài tuổi thọ dầu.
- Điểm chớp cháy cao nên tránh được nguy cơ cháy nổ.
- Khả năng tách nhũ tốt, đảm bảo tách nước hoàn toàn trong trường hợp dầu
bị nhiễm nước.
- Hoàn toàn không lẫn tạp chất như khí hòa tan, nước hoặc chất rắn dạng
huyền phù.
Với những tiêu chuẩn và quy định về chất lượng của dầu cho máy biến áp
nêu trên thì máy lọc dầu máy biến áp sẽ cho ra sản phẩm dầu đúng với quy định
về chất lượng cũng như độ an toàn của dầu khi sử dụng cho máy biến áp. Cùng
với hàng loạt các quy trình, công nghệ lọc và xử lý dầu hiện đại để cho ra một
sản phẩm dầu tốt nhất.
Mô hình máy lọc dầu kết nối trực tiếp với máy biến áp như hình 1.4. Quá
trình lọc được lặp đi lặp lại cho đến khi dầu đạt được tiêu chuẩn sử dụng trong
máy biến áp. Để đạt được thông số theo yêu cầu của dầu sử dụng cho máy biến
áp, máy lọc dầu phải được nối với máy biến áp và lọc theo hình thức đối lưu.
Hình 1.4 Mô hình máy lọc dầu kết nối với máy biến áp [3]
Ví dụ: Máy lọc dầu online MAS4000 – TEC:
- Tính năng: Lọc dầu khi máy biến áp vẫn hoạt động bình thường.
4
- Thông số kỹ thuật:
+ Công nghệ TEC
+ Lưu lượng có thể thay đổi từ 2000 – 4000 l/giờ lọc online và từ 1000 –
4000 l/giờ offline.
+ Công suất gia nhiệt: 64 kW
Hình 1.5 Máy lọc dầu MAS4000-TEC
+ Tốc độ tăng nhiệt ở lưu lượng biểu kiến: 270C
+ Công suất tổng: 74kW
+ Phin lọc: Luôn đạt 95 %
+ Đo áp suất chân không bằng cảm biến pirani
+ Lưu lượng bơm chân không 180 m3/giờ.
+ Có hệ thống ống nối với máy biến áp, hệ thống van, các cảm biến đo
lường, điều khiển, cảnh báo, kiểu ống nối Guillemin DN40.
+ Một bình khử khí an toàn để bảo vệ máy biến áp.
+ Ba van cách ly (cao, thấp và truyền qua) và phụ kiện nối với MBA.
+ Kiểm soát liên tục nhiệt độ của dầu vào trước khử khí.
+ Kiểm soát liên tục việc quá áp trong hệ thống đường ống bởi bộ điều
khiển áp suất, van giảm áp.
+ Đo lưu lượng dầu vào kết hợp với van tỷ lệ trước khi dầu đi vào bình
khử khí để đảm bảo dầu vào một cách liên tục điều khiển bằng PLC.
+ Liên tục giám sát mức dầu trong bình chứa của máy biến áp để bảo vệ
máy biến áp.
+ Tự động điều chỉnh bọt khí trong bình tách khí.
5
+ Điều khiển từ xa của các bộ lọc khi bị tắc nghẽn với cảm biến chênh áp.
+ Triệt tiêu hoàn toàn khí tự do và bọt khí tại đầu ra của máy lọc dầu.
+ Kiểm soát chân không với bộ đo chân không và áp kế.
+ Có máy khí nén độc lập.
+ Có kính để giám sát dòng chảy dầu tại đầu ra máy.
+ Khởi động tuần tự và tự khởi động lại quá trình lọc.
+ Có bình tách hơi nước và khí.
+ Có bình tách khí độc lập nhằm bỏ khí còn lại trong dầu trước khi đưa
vào máy biến áp. [1]
1.2 Sơ đồ công nghệ của máy lọc dầu máy biến áp tiêu biểu
Hiện nay trên thế giới đã có các hãng sản xuất máy lọc dầu cho máy biến áp
như MAXEI (Pháp), KATO (Nhật), Globecore (Ukaine) đều có bán trên thị
trường. Mỗi hãng đều có các đặc điểm và công nghệ khác nhau nhưng đều theo
một quy trình lọc dầu nhất định.
Sơ đồ công nghệ máy lọc dầu Maxei
Sơ đồ công nghệ của máy lọc dầu Maxei như hình 1.6 và hình ảnh thực tế
của máy lọc dầu Maxei hình 1.7.
Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ máy lọc dầu MAXEI [4]
Dầu sẽ được tách các cặn bẩn bởi các phin lọc thô và phin lọc tình, mắt lọc
càng bé thì chất lượng dầu càng tốt, tuy nhiên nó sẽ ảnh hưởng đến lưu lượng của
dầu. Thông thường bộ lọc thô là các lưới lọc, và bộ lọc tinh với kích thước mắt
lọc 1µm.
6
Để tách khí và hơi nước trong dầu, ta dùng công nghệ chân không, dầu sẽ
được gia nhiệt, theo các nghiên cứu và thực tiễn thì nhiệt độ gia nhiệt nên ở 700C.
Nếu nhiệt độ tăng thêm thì việc tách nước và khí hòa tan trong dầu nhanh hơn,
tuy nhiên dầu dễ bị lão hóa. Nếu nhiệt độ thấp thì việc tách nước và khí hòa sẽ
chậm hơn, dầu khó đạt được các thông số yêu cầu. Dầu được làm nóng sẽ được
dẫn vào buồng chân không dưới dạng đầu phun sương. Khí hòa tan và hơi nước
sẽ được tách ra đi theo đường hút chân không ra ngoài. Dầu sau khi lọc được đưa
ra ngoài qua hệ thống bơm dầu ra. Quá trình lọc được thực hiện một cách tuần
hoàn, đến khi dầu sau khi lọc đạt được các thông số như yêu cầu.
Hình 1.7 Máy lọc dầu MAXEI [5]
Sơ đồ công nghệ máy lọc dầu Kato (hình 1.8):
Hình 1.8 Sơ đồ công nghệ của máy lọc dầu KATO – KLVC [1]
Máy lọc dầu chân không KATO có sẵn trong 4 mô hình cơ bản: KLV-LAX,
KLVC-AX, KLVC-AX-I, và KLVC-AX-II với công suất lọc từ 500 l/giờ đến
20000 l/giờ.
7
Ứng dụng: Máy biến áp (dầu cách điện), máy bơm chân không, máy nén,
các bộ phận thủy lực, dầu silicon, dầu tuabin.
Các tính năng tiêu chuẩn:
- Bộ gia nhiệt mật độ thấp.
- Hệ thống chân không đơn hoặc hai giai đoạn với động cơ làm mát
bằng quạt tuần hoàn kín (TEFC).
- Buồng chân không với thiết kế hiệu quả với diện tích bay hơi lớn.
- Các thiết bị cảm biến bảo vệ hệ thống.
- Báo động áp suất cao.
- Mức dầu cao báo động trong buồng chân không.
- Mức độ bọt cao báo động trong buồng chân không.
Hình 1.9 Máy lọc dầu KATO - KLVC [6]
Tiêu chuẩn của dầu biến áp sau khi lọc theo hãng KATO:
Ban Kết quả sau 1 lần lọc Kết quả sau 3 lần lọc
dầu
(No -I -II (No -I -II
mask) mask)
Nước trong 50 10 5 2-3 5 2 1
dầu
(ppm)
Khí (Vol%) 10 0,25 0,1 0,05 0,1 0,01 0,01
Điện áp 30 60 70 80 70 80 90
đánh thủng
(kV)
Bảng 1.2 Tiêu chuẩn của dầu sau khi lọc
8